脉冲激光烧蚀冲量耦合特性及空间碎片清除应用

随着日益频繁的人类航天活动，造成空间碎片数目急剧增加，其中厘米量级的空间碎片，由于数目较多无法采用规避措施、尺寸较大无法采用结构防护措施，因而被认为是对在轨航天器威胁优选的空间碎片。激光清除厘米级空间碎片具有无污染、高效率、低成本等优点，被公认为是减缓空间碎片危害的一种有效途径。激光清除空间碎片基本原理是激光与碎片物质相互作用，将激光能量转化为机械能，产生反喷冲量而获得速度增量，在速度增量作用下碎片减速降轨，进入大气层烧毁。本书从激光清除空间碎片这一应用背景出发，详细讨论了纳秒脉冲激光烧蚀冲量耦合规律；在基于激光烧蚀冲量耦合的空间碎片清除应用方面，对激光辐照典型形状空间碎片冲量矢量特性问题进行了分析研究，系统地介绍了地基激光清除空间碎片过程的仿真建模问题，为激光清除空间碎片这一技术的发展提供实验参考与理论依据。

《博士后文库》序言
前言
第1章 绪论 1
1.1 空间碎片清除方法概述 1
1.1.1 空间碎片 1
1.1.2 激光清除空间碎片方法 3
1.2 国内外研究现状 5
1.2.1 激光烧蚀冲量耦合 5
1.2.2 激光清除空间碎片 17
1.3 本书主要内容 20
第2章 纳秒脉冲激光烧蚀冲量耦合特性实验方法 22
2.1 脉冲激光烧蚀羽流喷射测量系统 22
2.1.1 高速阴影成像法 22
2.1.2 实验系统设计 23
2.1.3 同步与时序控制 24
2.1.4 流场标定 26
2.2 脉冲激光烧蚀微冲量测量系统 27
2.2.1 基于扭摆法的微冲量测量原理 27
2.2.2 基于扭摆结构的微冲量测量装置 29
2.2.3 用于脉冲激光烧蚀微冲量测量的实验系统 34
2.3 小结 36
第3章 纳秒脉冲激光烧蚀羽流喷射特性 37
3.1 激光能量与烧蚀光斑测量 37
3.1.1 激光能量测量 37
3.1.2 光斑尺寸测量 39
3.2 典型平面铝靶脉冲激光烧蚀等离子体羽流喷射特性 40
3.2.1 激光烧蚀光斑尺寸对等离子体羽流特性的影响 40
3.2.2 激光入射角度对等离子体羽流特性的影响 48
3.2.3 羽流喷射特性对冲量耦合的影响 51
3.3 典型形状铝靶脉冲激光烧蚀等离子体羽流喷射特性 53
3.3.1 楔形铝靶脉冲激光烧蚀等离子体羽流特性 53
3.3.2 球形铝靶脉冲激光烧蚀等离子体羽流特性 55
3.4 小结 58 第4章 纳秒脉冲激光烧蚀微冲量特性 59
4.1 脉冲激光正入射辐照冲量特性 59
4.1.1 小光斑辐照冲量特性 59
4.1.2 大光斑辐照冲量特性 61
4.1.3 小光斑与大光斑辐照冲量特性对比 62
4.2 脉冲激光斜入射辐照冲量特性 64
4.2.1 激光斜入射辐照冲量测量方法 64
4.2.2 激光斜入射辐照光斑测量方法 65
4.2.3 激光斜入射冲量特性 67
4.3 激光波长对冲量特性的影响 68
4.4 小结 69
第5章 纳秒脉冲激光辐照典型形状碎片冲量特性 71
5.1 激光辐照典型形状空间碎片冲量矢量基本模型 71
5.2 激光大光斑辐照典型形状空间碎片冲量模型验证 72
5.2.1 激光辐照半球形铝靶冲量特性验证 72
5.2.2 激光辐照楔形铝靶冲量特性验证 76
5.3 激光全辐照典型形状空间碎片冲量特性分析 80
5.3.1 激光全辐照球体碎片冲量特性分析 80
5.3.2 激光全辐照圆柱体碎片冲量特性分析 82
5.3.3 激光全辐照长方体碎片分析 84
5.3.4 激光全辐照半球体碎片分析 86
5.4 小结 89
第6章 地基激光辐照清除空间碎片轨道变化特性 91
6.1 考虑空间碎片质心运动的激光辐照变轨简化模型 91
6.1.1 激光辐照空间碎片质心运动过程 91
6.1.2 激光辐照空间碎片变轨简化模型 92
6.1.3 激光辐照空间碎片变轨仿真分析 93
6.2 空间碎片地基激光辐照变轨过程建模与清除效果仿真 95
6.2.1 空间碎片多次飞行过顶激光清除过程 96
6.2.2 空间碎片多次飞行过顶激光辐照变轨模型 97
6.2.3 空间碎片多次飞行过顶激光辐照变轨计算流程 99
6.2.4 空间碎片地基激光辐照清除效果仿真 99
6.3 考虑空间碎片旋转的激光辐照变轨随机模拟方法 101
6.3.1 单脉冲激光辐照碎片速度增量变化规律 101
6.3.2 单脉冲激光辐照碎片速度增量随机分析 105
6.3.3 空间碎片三维质心运动方程 106
6.3.4 激光驱动空间碎片条件 107
6.3.5 气动阻力作用空间碎片的随机分析 109
6.3.6 激光驱动空间碎片典型计算结果 110
6.4 小结 116
第7章 总结 118
参考文献 119
编后记 126