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第1章 激光清除空间碎片的基本概念1

1.1空间碎片的威胁1

1.1.1空间碎片环境和威胁1

1.1.2减缓空间碎片威胁2

1.2激光清除空间碎片原理2

1.2.1空间碎片物质与激光相互作用2

1.2.2地基激光清除空间碎片3

1.2.3天基激光清除空间碎片4

1.3激光清除空间碎片的关键技术分析4

1.3.1主要影响因素分析5

1.3.2关键技术分析5

1.3.3小结6

第2章 空间飞行物体的轨道9

2.1空间飞行物体的基本轨道要素9

2.1.1赤道惯性坐标系9

2.1.2基本轨道要素10

2.2常用坐标系10

2.2.1坐标旋转变换11

2.2.2常用坐标系之间关系11

2.3空间物体位置和速度与轨道要素之间关系13

2.4轨道变轨15

2.4.1平面变轨15

2.4.2异面变轨17

2.5空间碎片的空间分布18

2.5.1撞击次数的泊松模型18

2.5.2体积单元和离散化19

2.5.3椭圆轨道穿过体积单元事件20

2.5.4碎片空间分布密度21

2.5.5穿过体积单元的速度22

2.5.6目标轨道的撞击流量23

2.6干扰力引起的摄动28

2.6.1干扰力表示28

2.6.2椭圆轨道参数随着时间变化29

2.7低地球轨道的气动力摄动影响31

2.7.1气动力31

2.7.2大气密度随着高度变化规律32

2.7.3圆轨道情况33

2.7.4椭圆轨道情况34

第3章 激光清除空间碎片的关键技术35

3.1美国的ORION计划35

3.2强激光与碎片相互作用36

3.2.1空间碎片分布36

3.2.2冲量耦合系数37

3.2.3冲量耦合系数与激光器参数39

3.3强激光的大气传输42

3.3.1大气吸收和湍流43

3.3.2大气传输非线性效应44

3.4强激光的发射46

3.4.1激光器参数46

3.4.2可利用的激光器47

3.5空间碎片的捕获、跟踪和瞄准48

3.5.1可利用的探测和跟踪系统48

3.5.2交接、瞄准和发射50

3.6美国ORION计划的若干思考51

3.6.1激光器参数51

3.6.2系统设计要素53

3.6.3设计要素之间关系56

3.6.4碎片的演示验证靶模型57

3.7天基激光清除空间碎片的关键技术58

3.7.1天基激光清除空间碎片的特点58

3.7.2指定航天器轨道的碎片分布59

3.7.3指定航天器轨道的碎片清除方式60

3.7.4空间碎片特性61

3.7.5系统参数设计62

第4章 激光清除空间碎片的基本问题64

4.1推进激光作用下反喷冲量矢量计算64

4.1.1激光辐照曲面反喷冲量计算模型64

4.1.2激光辐照球体情况65

4.1.3激光辐照圆柱体情况66

4.1.4激光辐照立方体情况68

4.1.5单脉冲速度增量69

4.2空间碎片坠入大气层烧毁判据70

4.2.1气动力70

4.2.2坠入大气层烧毁判据71

4.3最小能量降轨74

4.3.1最小能量降轨模型74

4.3.2计算分析76

4.4地基激光清除圆轨道空间碎片78

4.4.1变轨计算模型78

4.4.2变轨后轨道参数79

4.4.3计算分析79

4.5地基激光清除椭圆轨道空间碎片80

4.5.1单脉冲变轨计算模型81

4.5.2单脉冲变轨计算分析83

4.5.3多脉冲变轨计算模型86

4.5.4多脉冲变轨计算分析89

4.6天基激光清除空间碎片93

4.6.1激光器参数93

4.6.2激光器部署在空间站附近94

4.6.3激光器部署在空间站上98

4.6.4气动阻力和碎片烧蚀率影响100

第5章 冲量耦合系数测量方法104

5.1冲量耦合系数的影响因素104

5.1.1冲量耦合系数104

5.1.2主要影响因素105

5.2瞬间作用微小冲量的扭摆系统测量106

5.2.1扭摆系统106

5.2.2瞬间作用下冲量估计108

5.2.3扭摆有阻尼自由振动方程108

5.2.4自由振动方程的标准形式110

5.2.5冲量耦合系数的估计111

5.3扭摆系统参数的标定方法111

5.3.1扭摆系统自标定时有阻尼自由振动方程111

5.3.2周期、频率和阻尼比的标定112

5.3.3转动惯量和扭转弹性系数的标定114

5.4扭摆系统测量过程114

5.4.1扭摆系统组成和工作原理115

5.4.2扭转角测量原理115

5.4.3扭摆系统横梁初始误差角影响117

5.4.4试验数据处理119

5.5持续作用微小冲量的扭摆系统测量121

5.5.1持续作用力下扭摆有阻尼振动方程121

5.5.2激光单脉冲冲量所满足方程122

5.5.3激光单脉冲冲量计算方法122

5.5.4激光单脉冲冲量算例123

5.6冲量的单摆系统测量125

5.7冲量的水平推进测量126

5.7.1水平双线支撑激光推进试验127

5.7.2水平双线支撑激光推进时光船的运动方程128

5.7.3利用卡尔曼滤波方法估计光船的速度129

5.7.4光船速度与冲量耦合系数计算129

5.8冲量耦合系数的试验数据拟合方法131

5.8.1冲量耦合系数的费普斯拟合方法132

5.8.2冲量耦合系数的几种表示方式132

5.8.3三种表达式拟合优化程度比较133

5.9等离子体反喷羽流特性测量136

5.9.1等离子体反喷羽流特性136

5.9.2测量原理和测量系统137

5.9.3激光入射角度影响138

5.9.4反喷羽流速度139

第6章 激光清除空间碎片与激光推进143

6.1激光推进143

6.1.1激光推进概念143

6.1.2激光推进特点144

6.1.3激光推进应用前景144

6.2激光推进的推进性能参数144

6.2.1主要推进性能参数145

6.2.2推进性能参数之间相互关系146

6.3空间碎片清除的推进性能参数147

6.3.1靶材烧蚀率忽略不计147

6.3.2考虑靶材烧蚀率影响148

6.3.3小结150

参考文献151