本發(fā)明屬于對(duì)空間非磁化金屬碎片進(jìn)行消旋的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)技術(shù)，涉及一種對(duì)空間非磁化金屬碎片進(jìn)行消旋的方法。是一種利用旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與導(dǎo)體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，加速導(dǎo)體切割磁力線，形成消旋轉(zhuǎn)矩的消旋磁場(chǎng)設(shè)置方法，屬于空間碎片清理技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

“空間碎片”是指位于地球軌道上或者再入大氣層的非功能性的人造物體，包括其碎片和部件。隨著人類航天活動(dòng)的日益頻繁，空間碎片的數(shù)量呈級(jí)數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，且集中于高度為800-1000km的區(qū)域，受空間攝動(dòng)力影響，這些碎片常處于高速自旋的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。這給空間碎片的捕捉和清理工作帶來(lái)了極大的困難。對(duì)空間碎片進(jìn)行消旋是捕捉和清理的首要任務(wù)。目前主要有接觸式消旋和非接觸式消旋?；诖艌?chǎng)的空間碎片渦流消旋技術(shù)屬于非接觸式消旋，該項(xiàng)研究尚處于起始階段，現(xiàn)有研究主要集中于恒定磁場(chǎng)下的消旋方法。

在《ACTA ASTRONAUTICA》2012年第76卷145-153頁(yè)刊登的“Study on the eddy current damping of the spin dynamics of space debris from the Ariane launcher upper stages”一文(作者Praly,N.等)，討論了由阿麗亞娜火箭上面級(jí)產(chǎn)生的空間碎片在地球磁場(chǎng)作用下的渦流效應(yīng)，得出在地磁場(chǎng)作用下，空間在碎片會(huì)逐漸停止自旋的結(jié)論。從理論上說(shuō)明了恒定磁場(chǎng)作用會(huì)對(duì)空間碎片的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)起到阻尼作用。這種被動(dòng)的消旋方式時(shí)間較長(zhǎng)，通常在半年左右。

在《ACTA ASTRONAUTICA》2015年第114卷34-53頁(yè)刊登的“Eddy currents applied to de-tumbling of space debris:Analysis and validation of approximate proposed methods”一文(作者Gomez,Natalia Ortiz等)，提出了通過(guò)線圈建立恒定磁場(chǎng)，利用渦流轉(zhuǎn)矩的主動(dòng)消旋技術(shù)。該方法通過(guò)主動(dòng)構(gòu)建定向磁場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)空間碎片的消旋，研究了渦流轉(zhuǎn)矩的大小和消旋的時(shí)間。該技術(shù)僅依靠單組線圈建立恒定磁場(chǎng)，靠碎片運(yùn)動(dòng)切割磁力線產(chǎn)生渦流，生成消旋轉(zhuǎn)矩。但由于碎片運(yùn)動(dòng)速度并不高，渦流的大小受限，消旋轉(zhuǎn)矩較小。

2013年申請(qǐng)的國(guó)家發(fā)明專利《一種清除空間碎片的方法和裝置》，專利申請(qǐng)公布號(hào)CN103434658A，發(fā)明人：李怡勇等，提出了通過(guò)電場(chǎng)力、磁場(chǎng)力或電磁場(chǎng)力相結(jié)合，改變空間碎片的運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向，使碎片偏離固定軌道的一種清除空間碎片的方法。該技術(shù)未談及碎片的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及消旋問(wèn)題。

現(xiàn)有技術(shù)分析了渦流轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生機(jī)理和實(shí)現(xiàn)方法，所采用的磁場(chǎng)均為恒定磁場(chǎng)，僅依靠碎片自身的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的渦流轉(zhuǎn)矩，空間碎片旋轉(zhuǎn)的速度相對(duì)較慢，一般小于60deg/s，消旋轉(zhuǎn)矩的量值較小，消旋時(shí)間較長(zhǎng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

要解決的技術(shù)問(wèn)題

為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種對(duì)空間非磁化金屬碎片進(jìn)行消旋的方法，利用旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與碎片之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，加速碎片切割磁力線，產(chǎn)生渦流轉(zhuǎn)矩，提高渦流轉(zhuǎn)矩的作用效果，縮短碎片消旋時(shí)間。

技術(shù)方案

一種對(duì)空間非磁化金屬碎片進(jìn)行消旋的方法，其特征在于：將旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)施加在空間非磁化金屬碎片四周，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的主軸與碎片旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的主軸重合，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向與碎片旋轉(zhuǎn)方向相反；所述旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度幅值恒定。

所述旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)采用機(jī)械動(dòng)力裝置帶動(dòng)磁場(chǎng)發(fā)生裝置做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，機(jī)械動(dòng)力裝置帶動(dòng)N磁極和S磁極做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)主軸與碎片的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)主軸重合，磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方向與碎片的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方向相反。

所述磁場(chǎng)發(fā)生裝置為相對(duì)設(shè)置的N磁極和S磁極，產(chǎn)生單一磁場(chǎng)或合成磁場(chǎng)。

所述旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)采用電流控制方式的磁場(chǎng)發(fā)生裝置產(chǎn)生。

所述電流控制方式的磁場(chǎng)發(fā)生裝置為多個(gè)線圈構(gòu)成，其中每個(gè)線圈直徑均通過(guò)碎片旋轉(zhuǎn)軸線，每相鄰兩個(gè)線圈在空間中呈一個(gè)夾角，不同相鄰線圈間夾角的大小可以互不相同，每個(gè)線圈內(nèi)通入交流電產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，所有線圈產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)矢量合成為一個(gè)幅值恒定的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。

有益效果

本發(fā)明提出的一種對(duì)空間非磁化金屬碎片進(jìn)行消旋的方法，利用外加旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與非磁化金屬碎片之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，加速碎片切割磁力線，在金屬碎片中產(chǎn)生渦流，形成渦流轉(zhuǎn)矩的消旋磁場(chǎng)。本發(fā)明方法同現(xiàn)有研究相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：通過(guò)建立的與碎片運(yùn)動(dòng)方向相反的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，增加了旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與碎片之間運(yùn)動(dòng)的相對(duì)速度，增大了碎片切割磁力線產(chǎn)生的渦流，從而增強(qiáng)了消旋轉(zhuǎn)矩，減小了消旋的時(shí)間。

附圖說(shuō)明

圖1：空間碎片運(yùn)動(dòng)剖面示意圖

圖2：用于消旋的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)表現(xiàn)形式

(a)在空間上的表現(xiàn)形式 (b)在時(shí)間上的表現(xiàn)形式

圖3：利用機(jī)械動(dòng)力裝置帶動(dòng)磁場(chǎng)發(fā)生裝置做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)示意圖

圖4：利用兩相交流電的磁場(chǎng)發(fā)生裝置示意圖

(a)三維視圖；(b)剖面圖

圖5：磁場(chǎng)發(fā)生裝置各時(shí)刻電流及合成磁場(chǎng)示意圖

(a)ω₁t＝0 (b) (c)ω₁t＝π (d)

具體實(shí)施方式

現(xiàn)結(jié)合實(shí)施例、附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述：

本發(fā)明是一種利用外加旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與非磁化金屬碎片之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，加速碎片切割磁力線，在金屬碎片中產(chǎn)生渦流，形成渦流轉(zhuǎn)矩的消旋磁場(chǎng)技術(shù)，其技術(shù)特征在于它含有以下內(nèi)容：

(1)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)消旋的基本原理

由法拉第電磁感應(yīng)定律可知，運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體切割磁力線，會(huì)在導(dǎo)體內(nèi)部形成感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，并產(chǎn)生渦流，渦流與磁場(chǎng)共同作用，產(chǎn)生渦流轉(zhuǎn)矩。對(duì)于處于恒定磁場(chǎng)中的旋轉(zhuǎn)碎片來(lái)說(shuō)，該渦流轉(zhuǎn)矩為消旋性質(zhì)。導(dǎo)體切割磁力線的速度越快，在導(dǎo)體中形成的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)越大，渦流轉(zhuǎn)矩也就越大。但由于碎片本身的運(yùn)動(dòng)速度并不快，產(chǎn)生的渦流較小，其消旋轉(zhuǎn)矩也較小。為提高消旋的效率，可以在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體碎片外設(shè)置用于消旋的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，增加碎片切割磁力線的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，提高消旋的效率。

(2)旋轉(zhuǎn)消旋磁場(chǎng)的特征

用于消旋的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，可以是一個(gè)單一磁場(chǎng)，也可以是一個(gè)合成磁場(chǎng)，最終形成的消旋磁場(chǎng)是一個(gè)矢量，即其基本特征在于：一是磁場(chǎng)強(qiáng)度的幅值恒定；二是該磁場(chǎng)的矢量在空間上作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的主軸與碎片旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的主軸重合，其旋轉(zhuǎn)方向與碎片旋轉(zhuǎn)方向相反。

(3)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的產(chǎn)生方式

旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的產(chǎn)生方式有兩種。一種是利用機(jī)械運(yùn)動(dòng)形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。在恒定磁場(chǎng)發(fā)生裝置上安裝動(dòng)力裝置，使磁場(chǎng)發(fā)生裝置與碎片共軸旋轉(zhuǎn)，方向相反，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。二是利用交流電形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。通過(guò)特定形式的磁場(chǎng)發(fā)生裝置，在不同的線圈繞組中通以相位不同的交流電，使其在空間中形成幅值恒定、且隨時(shí)間變化形成在空間中與碎片旋轉(zhuǎn)主軸相同、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方向相反的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。其旋轉(zhuǎn)速度與交流電的頻率有關(guān)。

本實(shí)施例討論用于消旋的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，碎片的結(jié)構(gòu)形式對(duì)磁場(chǎng)不構(gòu)成影響，為便于描述，選取碎片形狀為空心圓柱體，旋轉(zhuǎn)主軸位于圓柱體中心線，按逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。選取垂直于圓柱體的截面建立直角坐標(biāo)系，原點(diǎn)即為剖面圓的圓心，取任意兩個(gè)垂直方向建立x軸和y軸。直角坐標(biāo)系的形式及碎片的運(yùn)動(dòng)方向如圖1所示。

用于消旋的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的合成磁場(chǎng)矢量在空間上作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的主軸與碎片旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的主軸重合，旋轉(zhuǎn)方向與碎片旋轉(zhuǎn)方向相反，磁場(chǎng)強(qiáng)度的幅值恒定。其表現(xiàn)形式可以用圖2表示。圖2(a)代表磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量的箭頭勻速旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)軸與碎片旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的主軸重合，旋轉(zhuǎn)方向與碎片旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的方向相反，為順時(shí)針。由于磁場(chǎng)強(qiáng)度的幅值為恒定值，因此，箭頭末端的軌跡是一個(gè)圓形，在圖2(b)的平面坐標(biāo)系中，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度表現(xiàn)為一條與時(shí)間軸平行的直線。

為了形成上述的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，可以采用機(jī)械控制方式，也可以采用電流控制方式。

機(jī)械控制方式主要是利用機(jī)械動(dòng)力裝置帶動(dòng)磁場(chǎng)發(fā)生裝置做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的主軸與碎片的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)主軸重合，旋轉(zhuǎn)方向相反?？梢杂脠D3方式表示。如圖3所示，碎片沿著其運(yùn)動(dòng)主軸以速度為ω作逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，磁場(chǎng)發(fā)生裝置用N、S磁極表示所產(chǎn)生單一磁場(chǎng)或合成磁場(chǎng)，其磁場(chǎng)強(qiáng)度的幅值恒定，由機(jī)械動(dòng)力裝置帶動(dòng)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)主軸與碎片的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)主軸重合，沿外側(cè)虛線所示軌跡以速度為ω₁作順時(shí)針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。此時(shí)所形成的磁場(chǎng)即是前述用于消旋的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。

電流控制方式根據(jù)磁場(chǎng)發(fā)生裝置的不同而有區(qū)別，這里僅用兩相交流電的方式為例來(lái)闡述旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的產(chǎn)生方式，實(shí)際應(yīng)用不限于該方式。利用兩相交流電的磁場(chǎng)發(fā)生裝置由兩組相互垂直的線圈組成，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

在兩線圈中，輸入幅值相同，相位上相差一定角度的交流電，為表示方便，兩線圈中的電流分別用i_A和i_B表示，其中i_A＝I_Msin(ω₁t)，i_B＝I_Msin(ω₁t+θ)，兩線圈所形成的磁場(chǎng)分別為B_A＝B_Msin(ω₁t)，B_B＝B_Msin(ω₁t+θ)。其合成磁場(chǎng)為了保證磁場(chǎng)B在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中幅值保持不變，取ω₁t＝0和兩個(gè)時(shí)刻，分別代入磁場(chǎng)合成公式，可得由此可以解得因磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向與碎片旋轉(zhuǎn)方向相反，取此時(shí)形成的磁場(chǎng)即為用于消旋的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。為進(jìn)一步驗(yàn)證磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向，我們?nèi)∷膫€(gè)時(shí)刻分別進(jìn)行分析。當(dāng)ω₁t＝0時(shí)，B_A＝0，B_B＝-B_M；當(dāng)時(shí)，B_A＝B_M，B_B＝0；當(dāng)ω₁t＝π時(shí)，B_A＝0，B_B＝B_M；當(dāng)時(shí)，B_A＝-B_M，B_B＝0。各時(shí)刻的電流和合成磁場(chǎng)的方向如圖5所示。從圖中可以看中，合成的磁場(chǎng)幅值不變，并且以運(yùn)動(dòng)碎片的主軸為軸心，與碎片的運(yùn)動(dòng)方向相反，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)的角速度為ω₁。