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ISSN: 2320 - 2459
普罗霍罗夫GPI RAS,瓦维洛夫str.38,莫斯科,119991年,俄罗斯
收到日期:05/26/2015接受日期:28/01/2016发表日期:30/03/2016
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研究表明,在低地球轨道碎片的数量成倍增长,尽管未来残骸释放缓解措施。特别是中小碎片的现有人口是今天具体操作卫星的威胁。地面DF-laser解决方案可以以低费用和非破坏性的方式去除危险空间碎片在选择资产作为一个非常有前途的答案出现。SSL和LD泵基于空间飞行器作为一个额外的解决方案正在考虑之中。
反卫星、碰撞、高频、激光辐射、空间碎片。
空间碎片是人造的集合对象及其在空间碎片,不再功能和提供任何有用的目的。此外,空间碎片包括对象的自然来源,如陨石小行星,等等。因此,我们可以挑出几个类别的空间碎片:
(我)花上,火箭和分离阶段;
(2)旧卫星;
(3)反卫星测试的产品和碎片形成由于卫星碰撞;
(iv)的对象自然起源。
大多数空间碎片包括小片段直径小于10厘米。最重要的贡献“乱丢垃圾”的近地轨道已经由反卫星导弹用于摧毁旧卫星,导致形成新的测量从厘米到数米大小的碎片。在太空爆炸和意外碰撞是最危险的太空碎片的来源1- - - - - -4]。
的第一个受害者的太空碎片在1983年挑战者号航天飞机的机组人员,与小型飞船相撞时粒子(直径小于1毫米);因此,在舷窗出现裂缝。之后,专家们得出的结论是,这是一个微观粒子的油漆脱离一些宇宙飞船。苏联空间站“礼炮7号”,受到微观粒子,持续的空间碎片的受害者。俄罗斯空间站和平号空间站的太阳能电池是穿孔在1990年代由一块太空碎片,导致一个直径超过10厘米的洞,也不例外。
现在国际空间站(ISS)可以操作,以避免可能的与空间碎片碰撞(今年已经七次),但是车站的安全专家仍然是主要问题。因此,1999年国际空间站近碰撞d的片段上阶段的火箭,长期在太空中漫游。2001年车站有机会受到一个7公斤仪器输了美国宇航员在太空任务。根据这一经验,车站轨道校正及其定期进行演习。
此外,空间碎片是地球的居民也不安全,因为它可以在头掉下来在这个词的字面意思。我只想回忆的太空实验室卫星在澳大利亚。幸运的是,没有人在这次事故中除了一头牛被杀。1991年苏联空间站“礼炮7号”,其操作过程中已经经历了太多的生活,分解成碎片了阿根廷。尤其需要关注的是空间碎片,其中包含放射性物质。因此,宇宙954年卫星轨道由一个核反应堆从1978年在加拿大北部地方当局和生态学家的“喜悦”。
此外,有情况下空间碎片的碎片,没有在返回大气层烧毁,受伤的人。例如,在1997年的一个片段第二阶段的三角洲运载火箭受伤女人的肩膀。
显然,在不久的将来与空间碎片碰撞的问题时必须考虑计算弹道轨迹的太空任务(目前只是完成轨道车站和大型卫星)。飞船和使用群体的小型化趋势的小飞船而不是大只加剧了问题,增加对象的总数的近地空间。
几乎整个人为前航天器空间碎片是金属碎片(由钢、钛等金属)朝着椭圆轨道环绕地球的。通过他们的大小分为四类:小(从1到10毫米),中等(从1到10厘米),大(大于10厘米狮子座和地球静止轨道大于1 m)和microfragments(小于1毫米)。空间碎片的大小的分布和破坏以及挣扎的方式给出表1。
表1:空间碎片的大小和损伤的分布。
大SD碎片可以观察到地面跟踪系统。他们中的许多人是跟踪和记录。由于存在不同的空间碎片残骸清除的类别和方法不同的激光系统,可以挑出以下独立任务之一在配方不同,空间碎片辐照条件,相应地,在平均功率和输出重复脉冲辐射参数:
1。避免碰撞的空间碎片和航天器控制。
2。宇宙飞船保护与临近空间碎片碰撞。
3所示。删除从狮子座和地理空间碎片。
前两个问题直接关系到一个特定的保护从太空飞船残骸,而第三个是指全球狮子座和地理清理的任务。
作为解决这些问题的有效途径,提出了使用高频、大功率重复脉冲激光系统。碎片清除的原则很简单:激光系统的辐射碎片表面迅速加热并移除材料由于蒸发的一部分。根据吸收能量和曝光时间,空间碎片可以分解成更小的碎片不威胁到飞船,也可以改变飞行轨迹由于反冲动量,并防止与航天器碰撞。完成蒸发的小空间碎片的碎片也是可能的。
目前最强大的DF化学激光器(5]。时最好使用激光束穿过大气层。当使用一个太空激光设置中,可以采取优势的固态二极管抽运激光。有效清除空间碎片,建议使用DF化学激光器和固体激光器在q开关或增益介质调制体制,即。在重复脉冲政权。在这种情况下,峰的强度值的辐射事件空间碎片增加数量级比连续波体制。普罗霍罗夫普通物理实验的执行点俄罗斯科学院的研究所表明,最优(最大能量输出)的DF激光器的调制频率~ 150 kHz,和多余的峰值功率的平均输出功率是2 - 3个数量级。对于固体激光器的最佳频率约为100 kHz,脉冲持续时间躺在~ 10范围7-10年8年代。
解决上述问题,可以使用各种各样的激光系统,与地面和spacebased电站:
——固定地面激光系统(gbl()确保光束聚焦和指向太空垃圾碎片;
——独立天基激光系统(sbl)也确保光束聚焦和指向太空垃圾碎片。
本文初步计算的结果,允许一个解决上述问题依赖于使用不同的激光系统。确定的比例在连续波化学激光器功率和重复脉冲政权,使用基于navier - stokes方程的模型,所有的基本化学和振动动力学过程考虑。辐射对各种振动−旋转转换的重复脉冲政权是不同步的计算方程,q开关激光谐振器。在小脉冲持续时间(< 100 ns)非平衡分布的发光分子转动能级的生成过程。
相当一部分的太空垃圾碎片通过跟踪控制,他们的轨迹是已知的,最大的太空垃圾碎片编目。太空垃圾碎片构成威胁的航天器和未来可能的碰撞的时候是众所周知的。由于碰撞威胁预警技术,有机会提前删除片段(图1)。
图1:地面激光的大镜子。
这个问题可以通过使用一个解决地面DF激光器,直接从地球上镜头片段(从山的高度2.5−3.5公里)。更多更好的移动机载激光系统(ABLSs),这允许他们的运输在正确的时刻。最喜欢移动系统是一个abl的高度~ 20公里,它允许一个不扭曲辐射在上层大气的通道和运输安装到地球的任何部分。移动系统的优势低重复频率激光的片段时,在失败的情况下不被火车脉冲或系统故障的情况下,快速的运输系统的可能性到最近的太空碎片的碎片通过允许重复激光发射后很短的时间内(小于1天)。
一个固定gbl(用于摧毁太空垃圾碎片在低轨道移动激光。梁的影响是有效的在该行业全面开放~ 30°角垂直,和该地区的高度互动的~是一个圆,直径300公里160公里。当飞越地球空间碎片的叶子一个螺旋“足迹”宽160公里,每天做16轨道,间隔的距离约2500公里。因此,~地球的周长5200公里的地方都是每一天,平均周长在8天。因此,固定激光可以使用只有当全球早期预警系统跟踪一个片段和激光本身是安装在正确的位置。然而,随着激光脉冲重复率大幅上升(高频重复脉冲政权),有可能出现这种情况时,太空垃圾碎片被摧毁在其轨道固定激光系统。
考虑辐射的机制的一个金属太空垃圾碎片。金属是好吸收的辐射红外中期范围内。删除的部分融化在液滴的形式大幅增加互动区。在没有重力的情况下,这种效应最为明显,因为不能保持表面融化。在失重状态下,液体水滴很快就被加热,因为内部压力克服表面张力在蒸发的过程(图2)。
图2:移动,地面激光。
因此,密集的任务是确保条件蒸发空间碎片的材料。在这种情况下,我们应该“泵”由一个脉冲序列所需的能量压缩到薄的表面体积材料时没有时间的热扩散发生在整个体积,确保碎片表面的破坏和创造一个机械反冲动量。
我们进行评估的基础上DF激光器和Nd: YAG激光。估计让我们制定相当精确的激光系统的技术要求,其参数对应于最低限度的成就足够的脉冲激光辐射与耐火材料表面相互作用时的目标。假设这是足够出现辐照时适当选择为了删除一个太空垃圾碎片从飞船的交互区域和残骸碎片的轨道。更多的易熔材料平均激光功率需求减少。很明显,增加平均功率的激光源简化此问题的解决方案,从而使它可以破坏或移除一个太空垃圾碎片通过使用更少的脉冲。
的问题保护航天器与空间碎片碰撞或对象的自然起源(方法时飞船)是解决了通过使用一个自治,固态,二极管抽运sbl直接安装在保护飞船,飞船附近或沿着相同的轨道。激光必须有足够的电力来不断在轨道上运行。
删除需要赋予空间碎片碰撞的威胁与这样一个能量碎片,碎片会刹车和落后于航天器或其轨迹就会改变,以至于将错过宇宙飞船。很明显,目标上的净效应,相比固定问题,应该更强大。这是伴随着强烈的蒸发空间碎片的材料;因此,蒸发分子的电离和等离子体的形成也是可能的。评价制动效果,存在一个半经验公式,这表明,激光脉冲的作用下,太空垃圾碎片的速度Δv,与脉冲能量吸收,改变由于扩张产生的等离子体Δv = Cm E [m,在哪里E被吸收的能量;米质量目标;和厘米的系数决定使用激光辐射能量的能源效率实现蒸发,在很大程度上,取决于目标材料的类型,辐射强度吗峰和脉冲持续时间。
远离最优的条件下,激光脉冲行动迅速降低;因此,我们假设峰值强度是最优的。注意~ 10的功率密度8W /厘米2广泛用于激光钻孔和切割的材料下升华或消融。这种辐照政权的太空碎片可以被称为“硬。在连续两个脉冲之间的时间间隔的重复率~ 100 kHz等离子体向真空膨胀时间旅行的距离约1 - 2厘米,这就足以消除等离子体屏蔽效应的目标。
激光功率与镜子有关平均直径,距离目标和光束发散度。天基,衍射极限,重复脉冲、固态二极管抽运激光器输出功率100−1000千瓦和脉冲持续时间10−100 ns将提供必要的“软”政权影响空间碎片片段的瞄准距离100公里。片段在这个距离上的光斑将在8厘米。
这个场景使用地面DF激光器(包括移动和固定)与接收玻璃安装在航天器的碰撞点适用于只有当航天器与空间碎片片段位于地区gbl(的行动,这是不可能事件。然而,我们注意到在这种情况下,接收玻璃安装在航天器需要足够大的拦截整个辐射光束。估计显示所需的接收镜直径,根据光束发散度,必须几米。使用一个完整的地面激光系统,“硬实力”由DF激光辐照的太空垃圾碎片直接从地球需要一个激光系统平均高的权力。
就像上面提到的,清算近地太空碎片时可能使用的是一个独立的天基高频激光聚焦和波束指向系统。加快的太空垃圾碎片的氛围需要片段制动和转移到一个较低的高度与更短的一生。“众所周知,停留时间(寿命)的太空垃圾碎片轨道高度依赖轨道的高度。片段的生命周期在1000公里的高度大约是2000年,在600公里的高度−−25 ~ 30年,海拔约200公里的−大约一个星期。在100−1000千米的海拔范围的依赖高度上的太空垃圾碎片一生地球可以近似T~ H7。这样一个强大的高度依赖,即使是很小的减速和一个轨道减少导致寿命显著降低。因此,一生与降低轨道从120减少到6天,从300年到200公里。
准确的估计需要特殊的建模和计算为每个特定的轨道。从理论上讲,在整个范围的激光射线(从“软”“硬”),太空垃圾在地上的秋天是加速。如下的估计,“硬实力”政权火车的大功率激光脉冲(当一个片段飞过固定激光)可以减少空间碎片的轨道碎片到所需的级别。如果这个片段进入高层大气(H ~ 100公里),它减慢,伯恩斯在1 - 2的轨道;因此,问题已经解决了。然而,这配方似乎过度,因为它通常足以降低碎片的轨道,因此它的轨道下面的飞船。
现有文献资料的基础上,我们可以断言,天基激光功率约为几十千瓦足以显著降低的一个小片段的生命周期。自然,进一步提高激光功率进一步降低了一生,即。,增加碎片进入大气层的有效性;因此,近地太空碎片可以使用一个独立的,而迅速清除sbl几百千瓦的输出功率。激光枪的数量将取决于的准确性直接冲击和天基激光所需的时间再次投入使用。
当使用陆基激光系统的接收机镜子安装在航天器,辐射的能量损失在通道穿过大气层和镜子损失将需要一个更强大的安装(显然,几兆瓦)的水平。激光枪的数量是由通过镜子的数量在地面激光(平均不超过每隔8天)和片段的概率位置范围内激光打在这些时期。在这种情况下,需要更少的激光枪时的情况相比,使用由一个独立的sbl。存在一个场景的同时维护许多太空垃圾的对象,这就需要不断监测和编目。
最后,我们注意到一个更详细的研究提出的问题,特别是,脉冲重复频率和持续时间的影响,相对速度的太空垃圾,激光功率,在空间碎片等破坏应该依赖于一个更精确的重复脉冲激光器的数学建模过程,辐射传播,其行动目标的有效性等。
激光系统考虑在本文中不仅可以应用与空间碎片的问题,也是其他大型项目。特别是,它们可用于设计和构建激光火箭引擎,执行长距离无线能量传输,从石油产品干净的水面,干净的冗长和复杂的表面,保护宝贵的对象和环境危险等。
需要重复脉冲化学激光器脉冲重复率的操作~ 10−100 kHz和持续时间10 - 100 ns导致激光系统的事实应该依赖于利用光学方案有两个小型和中等规模的活性介质发电机,平均输出功率水平主振荡器不超过5 - 10 kW。首先,这将允许一个,对于重复脉冲政权实现,使用可行的方法,光电效应或基于被动q开关的方法光学谐振器主振荡器。其次,众所周知,在一个相对较低的功率,near-diffraction发散的辐射很容易获得。
固态二极管抽运激光应该紧凑和轻交通在外层空间。一个原型的激光功率超过100千瓦最近在美国设计的。很快,我们可以期待这激光扩大到500 - 1000千瓦。重复脉冲体制的这种技术解决方案也是可能的。
制造大功率、大截面的固体激光输出光束(广角激光)是一个复杂的现代激光物理学的科学和技术问题。其中一个可能的解决方案是基于多通道激光原理。按照这一原则,激光代表数组相同的频道,每个确保激光。这样一组激光形式与合成孔径光学源,其输出激光束辐射是个体的集合。的小截面通道允许有效和简单的能量注入活性介质和热量除去它的体积。
多束激光大结构性优势,获得高指向性的辐射是一个具有挑战性的物理问题。在多通道激光每个通道独立的激光发射波的相位不依赖于其他渠道的阶段的波浪。领域的渠道是不连贯的,他们的强度是总结。
在多通道激光同步集体代政权的情况下,各个通道的辐射阶段一致。输出光束在这种情况下形成的干扰波的阶段地轴是相等的。角发散光束在同相轴区域的一代的渠道接近的散度广角激光孔直径D。因此,多通道激光的一个关键的挑战是提供集体一代的同步机制。
系统的检测、波束形成和指出information-sighting系统(ISS)应该被直接安装在航天器。有关问题的系统元素的安排在航天器模块(连同系统辐射的一代)的元素不是这里讨论。请注意,国际空间站利用两个指向频道(雷达和高功率)。更复杂的空间站计划依赖的使用两个,三个或更多通道也是可行的。
国际空间站的望远镜,形成输出辐射,是放在一个旋转平台。国际空间站必须提供以下基本功能:
(我)从外部接收目标指示(对激光)系统;
(2)塑造望远镜轴指向的方向目标;
(3)确定目标角;
(iv)的激光辐射功率与目标角度通过控制轴线重合的国际空间站的一个镜子的角位置;
(v)进行实时跟踪的目标所需的精度;
(vi)提供自动调整腔镜和权力渠道作为一个整体;和
(七)记录辐射到达目标。
广泛的国际空间站执行的功能意味着一个相当复杂的结构,应该开发出符合目标对激光系统。我们只注意平均功率500千瓦的燃料组件的特定消费大约每秒3.5公斤。尽管重复脉冲辐照空间碎片的碎片,组件应提供连续工作。激光的开始和终止操作考虑,典型的辐照时间的太空碎片目标将需要至少2 - 3 s。很明显,充分有效利用激光意味着燃料供给应足以破坏或删除相当大量的目标(100年~),这意味着所需的燃料在下次加油前应该至少600公斤。
因为在上一节中提到的,由于严重的辐射吸收大气中,对于gbl (DF化学激光器的使用应。这个激光应该放置在一个足够的海拔高度(-3.5 ~ 2.5公里)。此外,DF激光器应该操作重复脉冲政权在10 - 100 kHz,重复率的光学质量输出辐射比三个衍射限制(例如,后者可以实现自适应光学的方法)。用塑造望远镜主镜的直径D = 30米DF-laser辐射直接传输到太空垃圾碎片或接收镜安装在飞船。除了关注望远镜,飞船应该允许检测的系统安装,跟踪和权力辐射指向太空垃圾碎片。
估计表明,目前的俄罗斯化学激光技术(6)可以构建一个固定系统有效的清除太空垃圾碎片的轨道。国际合作是可能的,更重要的是,理想的在这一领域。去年会议两个领域的高功率激光及应用证实了这一点。宇宙的空间是巨大的。然而,在我们的太阳系,在家里,我们需要放东西,扔掉旧买新东西,并确保“空间棺材”不是满满的一天。到目前为止,太空碎片清除的问题是一个具有挑战性的,不能由任何一个国家单独解决。然而,政治家和科学家都在航天工业在一件事:美国太空碎片必须得到控制,以确保在未来空间活动。成员的航天国家必须坐在圆桌会议,讨论问题的实现在实践中而不是在理论上。
