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第1章 绪论 1

1.1 激光概念及产生机理 1

1.1.1 激光概念 1

1.1.2 激光产生机理 1

1.2 激光器组成、工作机理及分类 4

1.2.1 激光器组成与工作机理 4

1.2.2 激光器分类 5

1.3 激光空间应用概念与原理 6

1.3.1 激光辐照飞行靶 6

1.3.2 激光清除空间碎片 7

1.3.3 激光空间输能 9

1.4 激光空间应用研究现状与趋势 11

1.4.1 激光辐照飞行靶研究现状与趋势 11

1.4.2 激光清除空间碎片研究现状与趋势 14

1.4.3 激光空间输能研究现状与趋势 21

参考文献 27

第一篇 激光对飞行靶辐照效应研究 34

第2章 飞行靶激光辐照参数建模 34

2.1 飞行靶描述模型 34

2.1.1 结构等效模型 34

2.1.2 运动模型 35

2.2 激光器参数描述模型 36

2.3 交汇场景设定 38

2.3.1 地基激光辐照水平匀速飞行靶 38

2.3.2 地基激光辐照俯冲加速飞行靶 40

2.4 辐照参数求解 44

2.4.1 水平匀速飞行靶辐照参数求解 44

2.4.2 俯冲加速飞行靶辐照参数求解 47

2.4.3 飞行靶旋转对辐照参数的影响 49

2.5 算例分析 50

2.5.1 目标参数设定 50

2.5.2 水平匀速飞行靶辐照参数算例 51

2.5.3 俯冲加速飞行靶辐照参数算例 54

2.5.4 辐照参数分析 58

2.6 小结 58

参考文献 58

第3章 激光辐照飞行靶温度场求解 59

3.1 热传导模型的建立 59

3.1.1 飞行靶表面的能量交换 59

3.1.2 热传导方程的建立 60

3.2 温度场分布的求解 62

3.2.1 飞行靶空间离散 62

3.2.2 激光能量输入离散 65

3.2.3 离散方程的建立 67

3.2.4 离散方程的求解 71

3.3 算例分析 73

3.3.1 参数设定 73

3.3.2 温度场求解结果 75

3.3.3 参数影响分析 83

3.4 小结 86

参考文献 86

第4章 激光辐照飞行靶热烧蚀效应求解 88

4.1 热烧蚀模型的建立 88

4.1.1 热烧蚀条件假定 89

4.1.2 固液相变分析 89

4.1.3 热传导方程的建立 90

4.2 热烧蚀效应的求解 92

4.2.1 激光能量输入离散 92

4.2.2 相变潜热的计算及烧蚀单元的处理 95

4.2.3 离散方程组的建立及求解 98

4.3 算例分析 104

4.3.1 参数设定 104

4.3.2 热烧蚀效应求解结果 104

4.4 小结 113

参考文献 113

第5章 激光辐照飞行靶仿真实现 114

5.1 总体设计 114

5.1.1 仿真环境设定 114

5.1.2 仿真系统需求分析 114

5.1.3 仿真系统组成 115

5.1.4 仿真成员信息交互设计 116

5.2 联邦设计 116

5.2.1 对象类设计 117

5.2.2 交互类设计 118

5.2.3 类的公布和订购 119

5.3 功能设计 121

5.3.1 任务流程设计 121

5.3.2 辐照效应求解 121

5.3.3 辐照效应综合分析 123

5.4 系统的实现与应用 123

5.4.1 应用环境 123

5.4.2 应用案例 123

5.5 小结 127

参考文献 127

第二篇 地基激光清除空间碎片建模与仿真 128

第6章 地基激光清除空间碎片需求分析与总体方案设计 128

6.1 空间碎片清除需求分析 128

6.2 地基激光空间碎片清除总体方案设计 130

6.2.1 地基激光空间碎片清除系统组成 130

6.2.2 地基激光空间碎片清除工作流程 130

6.2.3 地基激光空间碎片清除仿真模型框架设计 132

6.2.4 关键技术分析 135

6.3 小结 141

参考文献 141

第7章 地基激光空间碎片清除仿真模型 143

7.1 空间碎片模型 143

7.1.1 危险碎片组成分类 143

7.1.2 质量模型 143

7.2 激光站布站模型 144

7.2.1 模型设计 144

7.2.2 备选布站站点选择 145

7.2.3 空间碎片过境时间计算 146

7.2.4 基于iSIGHT的模型求解 147

7.2.5 应用实例 148

7.3 激光传输模型 153

7.3.1 激光大气传输分析 154

7.3.2 模型设计 157

7.3.3 应用实例 162

7.4 推力产生模型 164

7.4.1 激光辐照空间碎片产生推力机理 164

7.4.2 模型设计 164

7.4.3 应用实例 167

7.5 降轨捕获模型 168

7.5.1 空间碎片自然演化规律 168

7.5.2 激光辐照对空间碎片影响分析 171

7.5.3 速度增量作用位置对降轨影响 173

7.5.4 模型设计 176

7.5.5 应用实例 180

7.6 小结 182

参考文献 183

第8章 地基激光空间碎片清除仿真结果分析 184

8.1 关键参数对空间碎片清除影响分析 184

8.1.1 激光参数对空间碎片降轨效果影响 184

8.1.2 提高激光参数指标的技术难度与可行性分析 186

8.2 空间碎片清除任务规划 188

8.2.1 空间碎片清除任务分析 188

8.2.2 单激光站多空间碎片清除规划 189

8.2.3 多激光站单空间碎片接力清除规划 190

8.2.4 多激光站多空间碎片优化清除规划 192

8.3 空间碎片清除仿真分析 193

8.3.1 单激光站多空间碎片清除仿真分析 193

8.3.2 多激光站单空间碎片清除仿真分析 197

8.3.3 多激光站多空间碎片清除仿真分析 202

8.4 空间碎片清除仿真可视化显示 205

8.5 小结 208

参考文献 209

第三篇 空间激光输能光电转换建模仿真与实验 210

第9章 空间激光输能系统工作机理 210

9.1 空间激光输能任务执行流程 210

9.2 空间激光输能系统组成 211

9.3 空间激光输能系统关键技术 214

9.3.1 高效、高质量激光器技术 214

9.3.2 激光束预处理技术 215

9.3.3 卫星姿态指向控制技术 216

9.3.4 目标捕获跟踪瞄准技术 216

9.3.5 目标捕获跟踪瞄准技术 217

9.4 空间激光输能系统效率分析 218

9.4.1 系统输能效率分析 218

9.4.2 光电转换效率分析 219

9.5 小结 219

参考文献 220

第10章 激光输能光电转换模型构建 222

10.1 光电转换基本原理 222

10.1.1 吸收作用 222

10.1.2 光生伏特效应 225

10.2 激光输能光电转换最大输出功率数学模型 226

10.2.1 光生电流Iph求解 227

10.2.2 反向饱和电流Ios求解 229

10.2.3 光电转换最大输出功率求解 229

10.3 激光输能光电转换输入功率数学模型 230

10.4 激光输能光电转换效率数学模型 232

10.5 激光输能光电转换效率Simulink仿真模型 234

10.6 激光输能输入角控制器设计 236

10.6.1 用户星相关模型 237

10.6.2 控制任务描述 239

10.6.3 基于反步法的自适应鲁棒控制器设计 240

10.6.4 基于Lyapunov第二方法的系统稳定性证明 243

10.7 小结 245

参考文献 246

第11章 激光输能光电转换效率参数影响仿真分析 248

11.1 仿真参数设置 248

11.2 激光输能光电池输出特性分析 249

11.3 光电池自身参数对光电转换效率影响分析 250

11.3.1 等效串联电阻对光电转换效率影响分析 250

11.3.2 常温下的反向饱和电流对光电转换效率影响分析 251

11.4 外部参数对光电转换效率影响分析 252

11.4.1 光电池温度对光电转换效率影响分析 253

11.4.2 辐照功率密度对光电转换效率影响分析 254

11.4.3 激光入射角对光电转换效率影响分析 255

11.5 激光入射角控制器有效性仿真分析 256

11.5.1 用户星期望姿态解算 256

11.5.2 任务参数设置 258

11.5.3 仿真结果分析 259

11.6 小结 261

参考文献 262

第12章 实验设计及验证 263

12.1 实验系统组成 263

12.1.1 系统硬件平台 263

12.1.2 系统软件平台 265

12.2 实验方案设计 266

12.2.1 实验内容确定 266

12.2.2 光电池材料选取 267

12.2.3 光电转换装置设计 268

12.2.4 光束调节方法 269

12.2.5 激光辐照功率密度测量方法 270

12.2.6 光电池温度控制方法 270

12.3 实验及结果分析 271

12.3.1 激光输能基本原理和过程演示实验 271

12.3.2 激光输能光电转换相关模型可用性验证 272

12.3.3 激光输能光电转换效率数学模型的优势验证 274

12.3.4 等效串联电阻对激光输能光电转换效率影响验证 275

12.3.5 光电池温度对激光输能光电转换效率影响验证 277

12.3.6 辐照功率密度对激光输能光电转换效率影响验证 278

12.3.7 激光入射角对激光输能光电转换效率影响验证 280

12.4 小结 282

参考文献 282