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