一种对空间非磁化金属碎片进行消旋的方法与流程

本发明属于对空间非磁化金属碎片进行消旋的旋转磁场技术，涉及一种对空间非磁化金属碎片进行消旋的方法。是一种利用旋转磁场与导体之间的相对运动，加速导体切割磁力线，形成消旋转矩的消旋磁场设置方法，属于空间碎片清理技术领域。

背景技术：

“空间碎片”是指位于地球轨道上或者再入大气层的非功能性的人造物体，包括其碎片和部件。随着人类航天活动的日益频繁，空间碎片的数量呈级数增长趋势，且集中于高度为800-1000km的区域，受空间摄动力影响，这些碎片常处于高速自旋的运动状态。这给空间碎片的捕捉和清理工作带来了极大的困难。对空间碎片进行消旋是捕捉和清理的首要任务。目前主要有接触式消旋和非接触式消旋。基于磁场的空间碎片涡流消旋技术属于非接触式消旋，该项研究尚处于起始阶段，现有研究主要集中于恒定磁场下的消旋方法。

在《ACTA ASTRONAUTICA》2012年第76卷145-153页刊登的“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)，讨论了由阿丽亚娜火箭上面级产生的空间碎片在地球磁场作用下的涡流效应，得出在地磁场作用下，空间在碎片会逐渐停止自旋的结论。从理论上说明了恒定磁场作用会对空间碎片的旋转运动起到阻尼作用。这种被动的消旋方式时间较长，通常在半年左右。

在《ACTA ASTRONAUTICA》2015年第114卷34-53页刊登的“Eddy currents applied to de-tumbling of space debris:Analysis and validation of approximate proposed methods”一文(作者Gomez,Natalia Ortiz等)，提出了通过线圈建立恒定磁场，利用涡流转矩的主动消旋技术。该方法通过主动构建定向磁场来实现空间碎片的消旋，研究了涡流转矩的大小和消旋的时间。该技术仅依靠单组线圈建立恒定磁场，靠碎片运动切割磁力线产生涡流，生成消旋转矩。但由于碎片运动速度并不高，涡流的大小受限，消旋转矩较小。

2013年申请的国家发明专利《一种清除空间碎片的方法和装置》，专利申请公布号CN103434658A，发明人：李怡勇等，提出了通过电场力、磁场力或电磁场力相结合，改变空间碎片的运动速度和运动方向，使碎片偏离固定轨道的一种清除空间碎片的方法。该技术未谈及碎片的旋转运动及消旋问题。

现有技术分析了涡流转矩产生机理和实现方法，所采用的磁场均为恒定磁场，仅依靠碎片自身的旋转运动产生的涡流转矩，空间碎片旋转的速度相对较慢，一般小于60deg/s，消旋转矩的量值较小，消旋时间较长。

技术实现要素：

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种对空间非磁化金属碎片进行消旋的方法，利用旋转磁场与碎片之间的相对运动速度，加速碎片切割磁力线，产生涡流转矩，提高涡流转矩的作用效果，缩短碎片消旋时间。

技术方案

一种对空间非磁化金属碎片进行消旋的方法，其特征在于：将旋转磁场施加在空间非磁化金属碎片四周，旋转磁场的旋转运动的主轴与碎片旋转运动的主轴重合，旋转磁场的旋转方向与碎片旋转方向相反；所述旋转磁场的磁场强度幅值恒定。

所述旋转磁场采用机械动力装置带动磁场发生装置做旋转运动，机械动力装置带动N磁极和S磁极做旋转运动，运动主轴与碎片的旋转运动主轴重合，磁场的旋转运动方向与碎片的旋转运动方向相反。

所述磁场发生装置为相对设置的N磁极和S磁极，产生单一磁场或合成磁场。

所述旋转磁场采用电流控制方式的磁场发生装置产生。

所述电流控制方式的磁场发生装置为多个线圈构成，其中每个线圈直径均通过碎片旋转轴线，每相邻两个线圈在空间中呈一个夹角，不同相邻线圈间夹角的大小可以互不相同，每个线圈内通入交流电产生交变磁场，所有线圈产生的交变磁场矢量合成为一个幅值恒定的圆形旋转磁场。

有益效果

本发明提出的一种对空间非磁化金属碎片进行消旋的方法，利用外加旋转磁场与非磁化金属碎片之间的相对运动速度，加速碎片切割磁力线，在金属碎片中产生涡流，形成涡流转矩的消旋磁场。本发明方法同现有研究相比具有以下优点：通过建立的与碎片运动方向相反的旋转磁场，增加了旋转磁场与碎片之间运动的相对速度，增大了碎片切割磁力线产生的涡流，从而增强了消旋转矩，减小了消旋的时间。

附图说明

图1：空间碎片运动剖面示意图

图2：用于消旋的旋转磁场表现形式

(a)在空间上的表现形式 (b)在时间上的表现形式

图3：利用机械动力装置带动磁场发生装置做旋转运动示意图

图4：利用两相交流电的磁场发生装置示意图

(a)三维视图；(b)剖面图

图5：磁场发生装置各时刻电流及合成磁场示意图

(a)ω₁t＝0 (b) (c)ω₁t＝π (d)

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明是一种利用外加旋转磁场与非磁化金属碎片之间的相对运动速度，加速碎片切割磁力线，在金属碎片中产生涡流，形成涡流转矩的消旋磁场技术，其技术特征在于它含有以下内容：

(1)旋转磁场消旋的基本原理

由法拉第电磁感应定律可知，运动导体切割磁力线，会在导体内部形成感应电动势，并产生涡流，涡流与磁场共同作用，产生涡流转矩。对于处于恒定磁场中的旋转碎片来说，该涡流转矩为消旋性质。导体切割磁力线的速度越快，在导体中形成的感应电动势越大，涡流转矩也就越大。但由于碎片本身的运动速度并不快，产生的涡流较小，其消旋转矩也较小。为提高消旋的效率，可以在旋转运动的导体碎片外设置用于消旋的旋转磁场，增加碎片切割磁力线的相对运动速度，提高消旋的效率。

(2)旋转消旋磁场的特征

用于消旋的旋转磁场，可以是一个单一磁场，也可以是一个合成磁场，最终形成的消旋磁场是一个矢量，即其基本特征在于：一是磁场强度的幅值恒定；二是该磁场的矢量在空间上作旋转运动，其旋转运动的主轴与碎片旋转运动的主轴重合，其旋转方向与碎片旋转方向相反。

(3)旋转磁场的产生方式

旋转磁场的产生方式有两种。一种是利用机械运动形成旋转磁场。在恒定磁场发生装置上安装动力装置，使磁场发生装置与碎片共轴旋转，方向相反，产生旋转磁场。二是利用交流电形成旋转磁场。通过特定形式的磁场发生装置，在不同的线圈绕组中通以相位不同的交流电，使其在空间中形成幅值恒定、且随时间变化形成在空间中与碎片旋转主轴相同、旋转运动方向相反的旋转磁场。其旋转速度与交流电的频率有关。

本实施例讨论用于消旋的旋转磁场，碎片的结构形式对磁场不构成影响，为便于描述，选取碎片形状为空心圆柱体，旋转主轴位于圆柱体中心线，按逆时针方向旋转。选取垂直于圆柱体的截面建立直角坐标系，原点即为剖面圆的圆心，取任意两个垂直方向建立x轴和y轴。直角坐标系的形式及碎片的运动方向如图1所示。

用于消旋的旋转磁场的合成磁场矢量在空间上作旋转运动，其旋转运动的主轴与碎片旋转运动的主轴重合，旋转方向与碎片旋转方向相反，磁场强度的幅值恒定。其表现形式可以用图2表示。图2(a)代表磁场强度矢量的箭头匀速旋转，旋转轴与碎片旋转运动的主轴重合，旋转方向与碎片旋转运动的方向相反，为顺时针。由于磁场强度的幅值为恒定值，因此，箭头末端的轨迹是一个圆形，在图2(b)的平面坐标系中，旋转磁场强度表现为一条与时间轴平行的直线。

为了形成上述的旋转磁场，可以采用机械控制方式，也可以采用电流控制方式。

机械控制方式主要是利用机械动力装置带动磁场发生装置做旋转运动，其旋转运动的主轴与碎片的旋转运动主轴重合，旋转方向相反。可以用图3方式表示。如图3所示，碎片沿着其运动主轴以速度为ω作逆时针旋转运动，磁场发生装置用N、S磁极表示所产生单一磁场或合成磁场，其磁场强度的幅值恒定，由机械动力装置带动作旋转运动，其运动主轴与碎片的旋转运动主轴重合，沿外侧虚线所示轨迹以速度为ω₁作顺时针旋转运动。此时所形成的磁场即是前述用于消旋的旋转磁场。

电流控制方式根据磁场发生装置的不同而有区别，这里仅用两相交流电的方式为例来阐述旋转磁场的产生方式，实际应用不限于该方式。利用两相交流电的磁场发生装置由两组相互垂直的线圈组成，其结构如图4所示。

在两线圈中，输入幅值相同，相位上相差一定角度的交流电，为表示方便，两线圈中的电流分别用i_A和i_B表示，其中i_A＝I_Msin(ω₁t)，i_B＝I_Msin(ω₁t+θ)，两线圈所形成的磁场分别为B_A＝B_Msin(ω₁t)，B_B＝B_Msin(ω₁t+θ)。其合成磁场为了保证磁场B在旋转过程中幅值保持不变，取ω₁t＝0和两个时刻，分别代入磁场合成公式，可得由此可以解得因磁场的旋转方向与碎片旋转方向相反，取此时形成的磁场即为用于消旋的旋转磁场。为进一步验证磁场的旋转方向，我们取四个时刻分别进行分析。当ω₁t＝0时，B_A＝0，B_B＝-B_M；当时，B_A＝B_M，B_B＝0；当ω₁t＝π时，B_A＝0，B_B＝B_M；当时，B_A＝-B_M，B_B＝0。各时刻的电流和合成磁场的方向如图5所示。从图中可以看中，合成的磁场幅值不变，并且以运动碎片的主轴为轴心，与碎片的运动方向相反，顺时针旋转，其旋转的角速度为ω₁。