研究与评论:纯粹与应用雷竞技苹果下载物理学杂志
菜单ISSN: 2320 - 2459
ISSN: 2320 - 2459
普罗霍罗夫GPI RAS, Vavilov str.38，莫斯科，119991，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，尽管考虑了今后减少碎片释放的措施，近地轨道碎片的数量仍呈指数级增长。特别是，现有的中小型碎片今天对正在运行的卫星构成具体威胁。地面df激光解决方案可以以低成本和非破坏性的方式清除选定空间资产周围的危险碎片，是一种非常有前途的解决方案。此外，本文还考虑了基于空间飞行器的SSL和LD泵浦方案。
反卫星，碰撞，高频，激光辐射，空间碎片。
太空碎片是人造物体及其碎片在太空中的集合，这些物体不再发挥作用，也不再有任何有用的用途。此外，空间碎片还包括陨石、小行星等自然来源的物体。因此，我们可以挑出几类空间碎片:
(i)用过的上部火箭级和分离级;
旧卫星;
㈢反卫星试验的产品和卫星碰撞形成的碎片;
自然来源的物品。
大多数空间碎片包括直径小于10厘米的小碎片。对近地轨道“乱扔”最重要的贡献是用于摧毁破旧卫星的反卫星导弹，这导致了几厘米到几米大小的新碎片的形成。太空中的爆炸和意外碰撞是太空碎片最危险的来源[1-4］．
太空碎片的首批受害者之一是1983年挑战者号航天飞机的机组人员，当时飞船与一个小颗粒(直径小于1毫米)相撞;结果，舷窗上出现了一道裂缝。后来，专家们得出结论，这是一个从宇宙飞船上脱落的微小油漆颗粒。苏联“礼炮7号”空间站也被微小粒子击中，成为太空碎片的受害者之一。上世纪90年代，俄罗斯和平号空间站的太阳能电池被一块太空碎片撞击，形成了一个直径超过10厘米的“洞”，该空间站也不例外。
现在国际空间站(ISS)可以避免与太空碎片发生碰撞(今年已经发生了7次)，但空间站的安全仍然是专家们最关心的问题。因此，在1999年，国际空间站几乎与长期在太空中游荡的火箭上层的一个碎片相撞。2001年，国际空间站曾有机会被美国宇航员在一次太空任务中丢失的一个7公斤重的仪器击中。在此基础上，定期进行轨道修正和机动。
此外，太空碎片对地球上的居民来说也是不安全的，因为它可能会掉下来砸在头上。只要回想一下澳大利亚天空实验室卫星的坠落就足够了。幸运的是，除了一头牛，没有人在这次事故中丧生。1991年，苏联的“礼炮7号”空间站在其运行期间已经经历了很多，在阿根廷上空解体成碎片。尤其令人担忧的是太空碎片，其中含有放射性物质。因此，1978年，由核反应堆提供动力的宇宙954卫星在加拿大北部的轨道上坠落，让当地政府和生态学家“高兴”。
此外，在重返大气层时没有燃烧的空间碎片也曾造成人员受伤。例如，1997年德尔塔运载火箭第二级的碎片伤了一名妇女的肩膀。
很明显，在不久的将来，在计算任何空间任务的弹道轨迹时都必须考虑到与空间碎片的碰撞问题(目前只计算轨道站和大型卫星)。航天器小型化的趋势和使用一组一组小型航天器而不是大型航天器的趋势只会加剧这一问题，增加近地空间物体的总数。
实际上，整个人造空间碎片都是以前的航天器的金属碎片(由钢、钛和其他金属制成)，它们在绕地球的椭圆轨道上运行。按大小分为四类:小碎片(1至10毫米)、中碎片(1至10厘米)、大碎片(近地轨道大于10厘米，地球静止轨道大于1米)和微碎片(小于1毫米)。介绍了空间碎片在大小和破坏方面的分布以及与之斗争的方法表1．
表1:空间碎片在大小和破坏方面的分布。
地面跟踪系统可以观测到较大的SD碎片。他们中的许多人被跟踪和编目。由于存在不同的空间碎片类别和不同的激光系统清除碎片的方法，人们可以挑选出以下独立的任务，这些任务在公式、空间碎片照射标准以及相应地在平均功率和输出重复脉冲辐射参数方面存在差异:
1.避免受管制空间碎片与航天器之间的碰撞。
2.防止航天器与接近的空间碎片碰撞。
3.清除近地轨道和地球同步轨道上的空间碎片。
前两个问题直接涉及保护特定航天器免受空间碎片的伤害，而第三个问题涉及全球近地轨道和地球同步轨道清理任务。
作为解决这些问题的有效手段，提出了使用高频、大功率重复脉冲激光系统。去除碎片的原理非常简单:激光系统的辐射迅速加热碎片表面，并通过蒸发去除部分材料。根据吸收的能量和暴露时间的不同，空间碎片可以分解成对航天器没有威胁的更小的碎片，或者可以由于后坐力动量改变飞行轨迹，并防止与航天器相撞。空间碎片的小碎片完全蒸发也是可能的。
目前最强大的是DF化学激光器[5］．当激光束穿过大气层时，它们的使用更可取。当使用星载激光装置时，可以利用固态二极管泵浦激光器。为了有效地去除空间碎片，提出了在q开关或增益介质调制状态下使用DF化学激光器和固体激光器，即在重复脉冲状态下使用DF化学激光器。在这种情况下，空间碎片上辐射事件强度的峰值与连续波状态相比增加了几个数量级。实验在上午进行俄罗斯科学院普罗霍罗夫普通物理研究所的研究表明，DF激光器的最佳调制频率(就最大能量输出而言)为~150 kHz，峰值功率超过平均输出功率的幅度为2-3个数量级。在固体激光器的情况下，最佳频率约为100 kHz，脉冲持续时间在~107－108年代。
为了解决上述问题，可以使用各种激光系统，包括地面和空间发电厂:
-固定地面激光系统(GBLS)，确保光束聚焦并指向空间碎片碎片;
-独立的天基激光系统(SBLS)也可以确保光束聚焦和指向空间碎片碎片。
本文给出了初步计算的结果，使我们能够依靠不同的激光系统来解决上述问题。为了确定化学激光功率在连续脉冲和重复脉冲状态下的比例，使用了基于Navier-Stokes方程的模型，并考虑了所有基本的化学和振动动力学过程。利用自由运行调q激光谐振腔的方程，计算了在重复脉冲区域内各种振动-旋转跃迁的辐射。在小脉冲持续时间(<100 ns)时，考虑了发射分子在生成过程旋转水平上的非平衡分布。
相当一部分空间碎片是通过跟踪来控制的，它们的轨迹是已知的，最大的空间碎片也有目录。对航天器构成威胁的空间碎片和未来可能发生碰撞的时间是众所周知的。由于碰撞威胁预警技术，有机会提前删除碎片(图1）.
图1:更大的地面激光反射镜。
这个问题可以通过使用地面DF激光器来解决，它直接从地球上(从2.5 - 3.5公里高的山上)发射碎片。更可取的是移动机载激光系统(ABLSs)，它允许在正确的时刻进行运输。最受欢迎的移动系统是高度约20公里的ABLS，它允许在上层大气中通过时不扭曲辐射，并将装置运输到地球的任何地方。在低重复频率激光情况下，移动系统的优点是，在碎片未被一系列脉冲破坏时发生故障或在系统故障的情况下，系统可以快速运输到空间碎片碎片通道的最近点，从而可以在短时间内(少于一天)重复激光发射。
一个静止的GBLS被用来摧毁在激光上低轨道移动的空间碎片。波束的碰撞在与垂直方向的全开口角为~30°的扇区有效，在300 km高度处的相互作用区域为直径为~160 km的圆。当太空碎片飞过地球时，会留下一个宽度为160公里的螺旋形“足迹”，每天绕地球运行16圈，彼此之间的距离约为2500公里。这样，每天绕地球周长约5200公里，平均8天就能绕完。因此，只有当全球预警系统跟踪碎片并且激光器本身安装在正确的位置时，才能使用固定激光器。然而，随着激光脉冲重复频率(高频重复脉冲区)的显著增加，空间碎片在绕固定激光系统运行时可能会出现被破坏的情况。
考虑金属空间碎片的照射机制。金属能很好地吸收中红外范围内的辐射。部分熔体以液滴的形式被去除，相互作用区急剧增加。在没有重力的情况下，这种影响最为明显，因为熔体不能保持在表面。在失重状态下，液滴很快被加热破坏，因为在蒸发过程之前，内部压力会克服表面张力。图2）.
图2:移动，地面激光。
因此，任务是确保空间碎片物质密集蒸发的条件。在这种情况下，我们应该通过脉冲训练将所需的能量“泵”到一个薄的表面体积中，以使材料没有时间让热扩散到整个体积中，这确保了碎片表面的破坏和机械反冲动量的产生。
我们在DF激光器和Nd: YAG激光器的基础上进行了评估。这些估计使我们能够相当精确地制定激光系统的技术要求，其参数对应于当激光辐射与耐火目标表面相互作用时实现最小限度的足够脉冲。假定这是足够的，只要适当地选择辐照起始点，以便从航天器和碎片碎片轨道的相互作用区域中去除空间碎片碎片。对于更多的易熔材料，对平均激光功率的要求降低。显然，激光源平均功率的增加简化了这一问题的解决方案，从而有可能使用更少的脉冲来摧毁或清除空间碎片碎片。
保护航天器免受空间碎片或自然来源物体(当它们接近航天器时)碰撞的问题是通过使用一个自主的、固态的、二极管泵浦的SBLS来解决的，该SBLS直接安装在受保护的航天器上，或沿着航天器附近的同一轨道运行。激光器必须有足够的电力在轨道上持续运行。
为了消除碰撞的威胁，需要赋予空间碎片足够的能量，使其开始制动并落后于航天器，或者其轨迹发生巨大变化，从而与航天器擦肩而过。很明显，与静止问题相比，对目标的净影响应该强大得多。伴随着空间碎片物质的强烈蒸发;因此，汽化分子的电离和等离子体的形成也是可能的。为了评价空间碎片的制动效果，存在半经验公式，该公式表明，在激光脉冲的作用下，空间碎片的破片速度Δv，与吸收的脉冲能量有关，由于产生的等离子体膨胀而发生变化Δv =厘米E [m,在哪里E是吸收的能量;米是目标质量;而且厘米该系数是否决定了利用激光辐射能量实现蒸发的能量效率，在很大程度上取决于目标材料的类型，辐射强度I峰还有脉冲持续时间。
当条件远未达到最佳时，激光脉冲作用迅速减小;因此，我们假设峰值强度是最优的。注意功率密度为~108W /厘米2广泛用于升华或烧蚀下材料的激光打孔和切割。这种对空间碎片的辐射机制可以被称为“硬辐射”。“在两次重复频率为100千赫的连续脉冲之间的间隔内，等离子体膨胀到真空中有时间传播大约1到2厘米的距离，这足以消除等离子体对目标的屏蔽效应。
激光平均功率与反射镜直径、到目标的距离和光束发散度有关。基于空间的、衍射限制的、重复脉冲的固体二极管泵浦激光器，输出功率为100 - 1000千瓦，脉冲持续时间为10 - 100纳秒，将在“软”状态下对100公里瞄准距离上的空间碎片碎片提供必要的冲击。在这个距离上碎片上的光点将在8厘米以内。
只有当航天器与空间碎片碎片的碰撞点位于GBLS作用区域时，这种使用地面DF激光器(包括移动和固定的)和安装在航天器上的接收玻璃的场景才适用，而这是极不可能发生的事件。然而，我们注意到，在这种情况下，安装在航天器上的接收玻璃需要足够大，以拦截整个辐射束。据估计，根据光束发散度的不同，所需的接收镜直径必须是几米。使用全地面激光系统直接从地球发射DF激光对空间碎片进行“硬”照射，需要具有高平均功率的激光系统。
如上所述，当使用带有聚焦和光束指向系统的独立天基HF激光器时，清除近地空间碎片是可能的。为了加速空间碎片坠落到大气中，碎片需要制动并转移到较低的高度，寿命较短。“众所周知，空间碎片在轨道上的停留时间(“寿命”)高度依赖于轨道的高度。在海拔1000公里处的碎片寿命约为2000年，在海拔600公里处的碎片寿命约为25 ~ 30年，在海拔200公里处的碎片寿命约为一周。在100 - 1000公里的高度范围内，空间碎片寿命与地球以上高度的关系可以近似为T~ H7．在高度依赖性如此强的情况下，即使是很小的减速和轨道减少也会导致寿命的显著降低。因此，随着轨道从300公里减少到200公里，寿命从120天减少到6天。
准确的估计需要对每个特定的轨道进行特殊的建模和计算。从理论上讲，在激光照射的整个范围内(从“软”到“硬”)，太空垃圾在地球上的下落是加速的。根据估计，在“硬”状态下，一列高功率激光脉冲(当碎片飞过静止激光时)可以将空间碎片的轨道降低到所需的水平。如果这个碎片进入上层大气(H~100千米)，它会减速并在1-2轨道内燃烧殆尽;这样，问题就解决了。然而，这种提法似乎过分了，因为它往往足以降低碎片的轨道，使其轨道低于宇宙飞船的轨道。
根据现有的文献数据，我们可以断言，大约几十千瓦的天基激光功率足以显著降低小碎片的寿命。自然，激光功率的进一步提高进一步降低了寿命，即增加了碎片进入大气层的有效性;因此，使用输出功率为几百千瓦的独立SBLS可以相当快速地清除近地空间碎片。激光发射的次数将由直接命中的精度和天基激光器重新投入使用所需的时间决定。
当使用安装在航天器上的带有接收反射镜的地面激光系统时，辐射穿过大气层时的能量损失和反射镜损失将需要更强大的安装(显然是几兆瓦的水平)。激光发射次数由反射镜经过地面激光的次数(平均每8天不超过1次)和在这些时间段内碎片位置在激光命中范围内的概率决定。在这种情况下，与使用独立的SBLS相比，需要较少的激光射击。存在着同时维护许多空间碎片物体的情况，这将需要对它们进行不断监测和编目。
最后，我们注意到，要更详细地研究所提出的问题，特别是脉冲重复频率和持续时间、空间垃圾的相对速度、激光功率等对空间碎片破坏的影响，应依赖于对重复脉冲激光过程、辐射传播、其对目标作用的有效性等进行更精确的数学建模。
本文所研究的激光系统不仅可以应用于空间碎片相关的问题，还可以应用于其他大型工程。特别是，它们可用于设计和建造激光火箭发动机，进行远距离无线能量传输，清洁石油产品的水面，清洁长而复杂的表面，保护有价值和对环境有害的物体等。
由于需要以~10−100 kHz的脉冲重复频率和10 - 100 ns的持续时间运行的重复脉冲化学激光器，因此激光系统应依赖于使用带有两个中小型有源介质发生器的光学方案，主振荡器的平均输出功率不超过5-10 kW。首先，对于重复脉冲的实现，这将允许使用经过充分验证的方法，基于电光效应或主振荡器中被动调q光学谐振器的方法。其次，众所周知，在相对较低的功率水平下，很容易获得辐射的近衍射散度。
固态二极管泵浦激光器应该是紧凑和轻量的，以便在外太空传输。最近，美国已经设计出了一台功率超过100千瓦的激光样机。很快，我们可以预期这种激光器将被扩大到500-1000千瓦的水平。在这种技术解决方案的情况下，重复脉冲制度也是可能的。
制造输出光束大截面的高功率固态激光器(宽口径激光器)是现代激光物理学中一个复杂的科学和技术问题。其中一个可能的解决方案是基于多通道激光原理。根据这一原理，激光器代表了一组相同的通道，每个通道都保证了激光。这样的激光阵列形成了一个具有复合孔径的光源，其输出辐射是单个激光束的集合。通道的小横截面允许有效和容易的能量泵入活性介质和热量从其体积中去除。
由于多光束激光器在结构上的巨大优势，如何获得高指向性的辐射是一个具有挑战性的物理问题。在多通道激光器中，在独立激光的情况下，每个通道发射的波的相位不依赖于其他通道的波的相位。通道的场是不相干的，并对其强度求和。
多通道激光在集体产生的同相状态下，各通道的辐射相位重合。在这种情况下，输出光束是由在其轴上相位相等的波的干涉形成的。通道同相生成时光束轴向区域的角散度接近具有孔径直径的大口径激光器的散度D．因此，多通道激光器的一个关键挑战是提供一种同相的集体发电机制。
探测、波束形成和指向系统——信息瞄准系统(ISS)——应该直接安装在航天器上。关于航天器模块中系统元件的布置问题(连同辐射产生系统的元件)在这里不作讨论。请注意，国际空间站使用两个指向通道(雷达和高功率)。依赖于使用两个、三个或更多通道的更复杂的ISS方案也是可能的。
形成输出辐射的国际空间站望远镜被放置在一个旋转平台上。国际空间站必须具备以下基本功能:
(i)从外部(关于激光)系统接收目标指定;
(ii)使塑形望远镜轴指向目标方向;
确定目标角;
(iv)通过控制国际空间站一个反射镜的角度位置，使激光辐射功率轴与目标角度重合;
(v)以所需精度对目标进行实时跟踪;
(vi)对空腔镜和功率通道进行整体自动调整;而且
(vii)记录辐射到达目标的情况。
国际空间站所执行的广泛功能意味着一个相当复杂的结构，这应该与激光系统的目标相一致。我们只注意到，在平均功率为500千瓦时，燃料部件的具体消耗估计为每秒3.5公斤。尽管空间碎片不断受到脉冲照射，但工作组件仍应持续供应。考虑到激光操作的开始和结束，一个空间碎片目标的典型照射时间至少需要2 ~ 3 s。很明显，充分有效地使用激光意味着燃料供应应该足以摧毁或移除相当多的目标(~100个)，这意味着在下一次加油之前所需的燃料量应该至少是600公斤。
如前一节所述，由于大气中辐射的显著吸收，在GBLS的情况下，应使用DF化学激光器。该激光器应放置在海平面以上的足够高度(~ 2.5-3.5公里)。此外，DF激光器应在重复脉冲范围内工作，重复频率为10-100 kHz，输出辐射的光学质量优于三个衍射极限(后者可以通过自适应光学方法实现)。使用直径为D = 30米的主镜的整形望远镜，东风激光辐射直接传输到空间碎片或安装在航天器上的接收镜上。除了一个聚焦望远镜，航天器还应该安装系统，允许探测、跟踪和指向空间碎片的功率辐射。
这些估计表明，俄罗斯目前的化学激光技术水平[6]使得建造一个稳定的系统能够有效地清除轨道上的空间碎片。在这一领域进行国际合作是可能的，更重要的是，也是可取的。最近两场高功率激光及其应用领域的会议证实了这一点。宇宙的空间是广阔的。然而，在我们的太阳系，就像在家里一样，我们需要把东西整理好，扔掉旧的东西，买新的东西，并确保“太空棺材”不会有一天被填满。迄今为止，清除空间碎片是一个具有挑战性的问题，无法由任何一个国家单独解决。然而，航天业的政治家和科学家在一件事上是一致的:必须控制太空碎片，以确保未来的太空活动。所有航天国家的成员必须坐在圆桌旁，讨论在实践中而不是在理论上执行这个问题。
