空間目標(biāo)遠(yuǎn)距離磁控方法及應(yīng)用分析

趙宏亮, 張?jiān)? 楊樂(lè)平, 黃 渙, 馬 天

(國(guó)防科技大學(xué)空天科學(xué)學(xué)院, 湖南 長(zhǎng)沙 410073)

0 引 言

隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展,電磁力/力矩作為一種新型航天器控制方式,具有非接觸、高精度、連續(xù)、不消耗推進(jìn)劑、無(wú)羽流污染等優(yōu)勢(shì)。因此,電磁力/力矩操控方式在航天器交會(huì)對(duì)接[1]、編隊(duì)飛行[2]、在軌組裝[3]以及失效航天器消旋[4]等方面受到廣泛關(guān)注。但電磁力/力矩在操控空間目標(biāo)的過(guò)程中存在兩大局限性:一是電磁力/力矩的大小與作用距離的3到4次方成反比,導(dǎo)致電磁力/力矩的有效控制空間有限;二是電磁力/力矩和航天器間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)均存在較強(qiáng)的非線性和耦合性,隨著目標(biāo)數(shù)量增加,非線性方程數(shù)量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng),導(dǎo)致控制難度增加。針對(duì)上述問(wèn)題,美國(guó)麻省理工大學(xué)提出利用由制冷機(jī)和超導(dǎo)線圈組成的電磁航天器編隊(duì),通過(guò)控制超導(dǎo)線圈中的電流,產(chǎn)生可控的強(qiáng)磁場(chǎng),使得電磁航天器編隊(duì)的控制能力可達(dá)到100 m[5]。其次,美國(guó)帕多瓦大學(xué)提出使用系繩航天器將電磁線圈通過(guò)系繩投送至電磁航天器附近產(chǎn)生電磁力/力矩可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)航天器的電磁操控,但仍受到系繩固有長(zhǎng)度的限制[6]。綜上所述,現(xiàn)有的電磁力/力矩航天器相對(duì)運(yùn)動(dòng)操控方法,控制能力局限在100 m量級(jí),仍然無(wú)法擺脫電磁效應(yīng)的固有缺陷,對(duì)于相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度較大,相對(duì)距離較遠(yuǎn)空間環(huán)境,電磁力/力矩的效能被大幅削弱的問(wèn)題仍未完全得到解決。為解決上述問(wèn)題,國(guó)防科技大學(xué)提出基于磁凍結(jié)等離子環(huán)磁場(chǎng)遠(yuǎn)距投送的方法,將強(qiáng)磁場(chǎng)凍結(jié)在等離子體中,并以高速發(fā)射,擴(kuò)展磁場(chǎng)作用空間[7]。本文基于該磁場(chǎng)遠(yuǎn)距投送新型的磁控方法對(duì)其磁控能力及應(yīng)用展開(kāi)仿真分析。同軸槍等離子體加速可在高真空環(huán)境下產(chǎn)生高溫、高速、高能量密度的等離子體射流[8-10]。目前,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于核聚變裝置芯部加料[11-12]、等離子體空間推進(jìn)[13-14]、天體物理現(xiàn)象模擬[15]。經(jīng)過(guò)磁化同軸槍(同軸槍電極與通電線圈組成的一種強(qiáng)流脈沖放電裝置,即磁凍結(jié)等離子體環(huán)生成裝置)加速的等離子體環(huán)具有球馬克約束位形,相較非磁化同軸槍加速得到的等離子體環(huán)而言,具有球馬克位形的等離子體環(huán)的環(huán)向磁場(chǎng)和極向磁場(chǎng)均由等離子體電流產(chǎn)生,使得等離子體環(huán)結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定、壽命得以延長(zhǎng)。美國(guó)菲利普斯實(shí)驗(yàn)室MARAUDER項(xiàng)目磁化同軸槍裝置可以使得磁凍結(jié)等離子體環(huán)加速至200～1 000 km/s,且出口處的等離子體環(huán)的凍結(jié)磁場(chǎng)強(qiáng)度可達(dá)可0.1～0.5 T[16];日本的日本大學(xué)和九州大學(xué)可實(shí)現(xiàn)磁凍結(jié)等離子體環(huán)生成裝置的高頻率加注(約1 000 Hz)和點(diǎn)火(約10 Hz),其功率為3～5 MJ[17-18];中國(guó)科學(xué)院大學(xué)KTX-CTI裝置可生成環(huán)形磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.01 T速度為125 km/s的磁凍結(jié)等離子體環(huán),并可以配合裝置電路的多次放電實(shí)現(xiàn)等離子體環(huán)的高頻次發(fā)射[19-20]。

本文根據(jù)磁化同軸槍產(chǎn)生的具有球馬克位形的等離子體環(huán)并可將等離子體環(huán)及其所攜帶的凍結(jié)磁場(chǎng)進(jìn)行高速遠(yuǎn)距投送的特點(diǎn),提出一種新型的空間目標(biāo)磁控方法,即通過(guò)將磁凍結(jié)等離子體環(huán)所攜帶的磁場(chǎng)投送至遠(yuǎn)處的空間目標(biāo)附近,并與空間目標(biāo)磁場(chǎng)相互作用,實(shí)現(xiàn)對(duì)空間目標(biāo)的操控。此外,磁凍結(jié)等離子體環(huán)的壽命有限,與空間作用時(shí)間極短,一定程度上降低了等離子體環(huán)與空間目標(biāo)間電磁力/力矩的強(qiáng)耦合性。該方法可有效拓展傳統(tǒng)磁控空間,為突破現(xiàn)有電磁效應(yīng)局限性提供新思路。本文在雪犁模型的基礎(chǔ)上,結(jié)合分析力學(xué)方法,對(duì)磁凍結(jié)等離子體環(huán)的磁控能力展開(kāi)分析、并對(duì)遠(yuǎn)距離電磁消旋任務(wù)、遠(yuǎn)距離伴星回收任務(wù)進(jìn)行建模仿真與效能評(píng)估。

1 磁凍結(jié)等離子體環(huán)生成機(jī)理及其特征參數(shù)分析

1.1 磁凍結(jié)等離子體環(huán)生成機(jī)理

磁凍結(jié)等離子體環(huán)在高真空環(huán)境下(10-3Pa)由磁化同軸槍在強(qiáng)電流(106A)的作用生成[8-10]。其裝置組成及場(chǎng)分布如圖1所示,其中1為包含電容組的外部電路;2為產(chǎn)生偏置磁場(chǎng)的電磁線圈;3和4分別為同軸槍的內(nèi)電極和外電極;5為線圈產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)的偏置磁場(chǎng);6為裝置通電后內(nèi)電極產(chǎn)生的環(huán)形磁場(chǎng);7為被等離子體拉伸后的偏置磁場(chǎng);8為等離子體環(huán)掙脫偏置磁場(chǎng)后磁重聯(lián)形成的極向磁場(chǎng);9為等離子體環(huán)凍結(jié)的環(huán)向磁場(chǎng)。等離子體環(huán)的生成過(guò)程如圖1所示,首先電磁線圈通電在同軸槍內(nèi)施加一穩(wěn)態(tài)的偏置磁場(chǎng),并向高真空的槍內(nèi)快速加注一定質(zhì)量的氣體,如圖1(a)所示;隨后閉合外電路開(kāi)關(guān),在內(nèi)外電極間的高壓作用下被氣體擊穿,在兩電極間形成高電導(dǎo)率的等離子體環(huán)并在洛倫茲力的作用下開(kāi)始運(yùn)動(dòng),如圖1(b)所示;在等離子體環(huán)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中,由于環(huán)向磁場(chǎng)和通過(guò)等離子體的電流的相互作用產(chǎn)生的洛倫茲力,使攜帶凍結(jié)環(huán)向磁場(chǎng)的等離子體環(huán)軸向加速運(yùn)動(dòng)至管口,且在加速過(guò)程中受到偏置磁場(chǎng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)張力,如圖1(c)所示;最后,等離子體環(huán)附近的偏置磁場(chǎng)破裂重聯(lián)構(gòu)成極向磁場(chǎng),此時(shí)形成具有球馬克位形的等離子體環(huán),如圖1(d)所示。

圖1 磁化同軸槍結(jié)構(gòu)及等離子體環(huán)的生成過(guò)程Fig.1 Structure of magnetized coaxial gun and formation process of plasma ring

1.2 雪犁模型及等離子體特征參數(shù)分析

磁凍結(jié)等離子體環(huán)的理論研究以雪犁模型為基礎(chǔ),隨著磁流體理論的發(fā)展,磁凍結(jié)等離子體環(huán)的加速理論得以仿真驗(yàn)證[21-27]。北京航空航天大學(xué)通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了忽略偏置磁場(chǎng)張力的雪犁模型預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性,實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示在誤差所允許的范圍內(nèi)實(shí)驗(yàn)所測(cè)得磁凍結(jié)等離子體環(huán)的速度較雪犁模型預(yù)測(cè)速度較小[28]。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)研制緊湊環(huán)注入系統(tǒng),并根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)裝置的理論模型進(jìn)行修正[19-20]。為了方便計(jì)算和對(duì)比仿真結(jié)果,本文所采用雪犁模型對(duì)等離子體環(huán)的特征參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算,雪犁模型示意圖如圖2所示,雪犁模型等效電路圖如圖3所示。

圖2 雪犁模型Fig.2 Snow-plow model

圖3 雪犁模型等效電路Fig.3 Equivalent circuit of snow-plow model

雪犁模型在模擬等離子加速的研究中做了如下假設(shè):

(1) 同軸槍內(nèi)的氣體,隨著等離子體電流片的掃過(guò)全部電離,且電離后的離子隨著電流片一起以相同的速度運(yùn)動(dòng)。

(2) 只考慮電流片與磁場(chǎng)的軸向作用,即洛倫茲力均勻分布在等離子體電流片上。簡(jiǎn)化了等離子體鞘層的空間分布。

因此,等離子體環(huán)的動(dòng)力學(xué)方程可表示為

(1)

如式(1)所示,雪犁模型為二階常微分方程組,為了探尋其特征參數(shù)的關(guān)系,現(xiàn)將雪犁模型改寫(xiě)成一階方程組形式,令y1=Ip(t),y2=lCT(t),y3=dIp(t)/dt,y4=dlCT(t)/dt,則有雪犁模型的一階方程組形式:

(2)

通過(guò)給定式(2)初始條件y1(0)=0,y2(0)=lCT(0),y3(0)=U0/L0+θlCT(0),y4(0)=0,可計(jì)算等離子體環(huán)的加速過(guò)程中的每個(gè)時(shí)刻放電電流、軸向速度、動(dòng)能以及磁化同軸槍裝置的加速效率等特征參數(shù)?，F(xiàn)根據(jù)美國(guó)菲利普斯實(shí)驗(yàn)室MARAUDER項(xiàng)目磁化同軸槍裝置[16,29](參數(shù)如表1所示),模擬得到1 mg、10 mg和50 mg的工質(zhì)氣體下的等離子體加速狀態(tài)如圖4所示。

表1 磁化同軸槍參數(shù)Table 1 Magnetized coaxial gun device parameters

圖4 基于雪犁模型仿真的等離子體環(huán)相關(guān)參數(shù)變化Fig.4 Changes of plasma ring related parameters based on snow-plow model simulation

2 磁凍結(jié)等離子體環(huán)的空間目標(biāo)磁控能力分析

2.1 磁凍結(jié)等離子體環(huán)壽命

具有球馬克約束位形的等離子體環(huán)經(jīng)過(guò)同軸槍加速射出后進(jìn)入自我維持的投送狀態(tài),在投送過(guò)程中無(wú)后續(xù)能量供給且存在阻性損失(占據(jù)主導(dǎo)地位)、等離子體重合及非閉合磁通損失等[30],導(dǎo)致其壽命有限,其壽命TCT公式為

(3)

(4)

式中:I0為等離子體環(huán)出口位置的放電電流,且在等離子體環(huán)投送過(guò)程中等離子體構(gòu)型保持不變且整體速度保持不變。在本文建模的動(dòng)力系統(tǒng)模型中,將等離子體環(huán)假設(shè)為一具有高速的、小質(zhì)量的、電流衰減的電磁線圈與空間目標(biāo)相互作用,當(dāng)磁凍結(jié)等離子體環(huán)運(yùn)動(dòng)至空間目標(biāo)附近時(shí),等離子體環(huán)受空間目標(biāo)磁場(chǎng)影響被破壞,等離子體環(huán)與空間目標(biāo)作用過(guò)程結(jié)束。

2.2 磁凍結(jié)等離子體環(huán)的磁控機(jī)理及其能力分析

如圖4(b)所示,等離子體環(huán)的速度為105m/s,已經(jīng)大幅超過(guò)第三宇宙速度,且等離子體環(huán)壽命有限,其有效作用空間在1 km量級(jí)內(nèi)。根據(jù)CW方程,磁凍結(jié)等離子體環(huán)在空間中相對(duì)于同軸槍的運(yùn)動(dòng)可近似視為直線運(yùn)動(dòng)。則有運(yùn)動(dòng)過(guò)程如圖5所示,磁化同軸槍裝置向空間目標(biāo)投送磁凍結(jié)等離子體環(huán),在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中等離子體環(huán)磁場(chǎng)與空間目標(biāo)磁場(chǎng)相互作用,相互影響,當(dāng)?shù)入x子體環(huán)運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)航天器附近時(shí),等離子體環(huán)結(jié)構(gòu)被航天器附近的強(qiáng)磁場(chǎng)撕裂破壞,而失去作用。

圖5 磁凍結(jié)等離子體環(huán)磁控機(jī)理Fig.5 Magnetic control mechanism of magnetic frozen plasma ring

根據(jù)式(4)等離子體環(huán)在投送過(guò)程中放電電流呈線性衰減,則有等離子體環(huán)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中在s位置矢量處產(chǎn)生磁場(chǎng)為

(5)

表2 等離子體環(huán)參數(shù)Table 2 Plasma rings state parameters

圖6 磁凍結(jié)等離子體環(huán)磁勢(shì)阱Fig.6 Magnetic potential well of magnetic frozen plasma ring

由圖6可知,等離子體環(huán)在輸運(yùn)過(guò)程中磁場(chǎng)有效作用范圍逐漸變小,等離子體環(huán)耗散或被航天器附近的強(qiáng)磁場(chǎng)破壞。在等離子體運(yùn)動(dòng)的軌跡中形成一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的磁勢(shì)阱。磁勢(shì)阱始終處于等離子體環(huán)運(yùn)動(dòng)中心,時(shí)間分布上,最大磁勢(shì)阱始終位于磁凍結(jié)等離子體環(huán)的出口位置。

根據(jù)等離子體環(huán)的出口速度vCT及等離子體環(huán)壽命,可初步計(jì)算得到目標(biāo)航天器在一個(gè)動(dòng)態(tài)磁勢(shì)阱周期下的脈沖速度沖量ΔvT:

(6)

式中:MT為空間目標(biāo)質(zhì)量;μCTi和μT分別為等離子體環(huán)和目標(biāo)的磁矩矢量;r=APs0-vCTTCT為磁凍結(jié)等離子體環(huán)與空間目標(biāo)的相對(duì)距離。

現(xiàn)在最大電磁力/力矩的情況下,等離子環(huán)投送狀態(tài)如表3所示,對(duì)投送方向100 m處10 kg的目標(biāo)航天器可獲得的速度沖量進(jìn)行仿真,空間目標(biāo)在最大電磁力/力矩情況下獲得的速度沖量如圖7所示。

表3 等離子環(huán)投送狀態(tài)Table 3 Plasma rings delivery state

圖7 基于雪犁模型仿真的等離子體環(huán)相關(guān)參數(shù)變化Fig.7 Corresponding parameters of plasma ring with snow plough model simulation

3 磁凍結(jié)等離子體環(huán)的空間目標(biāo)磁控應(yīng)用分析

基于磁凍結(jié)等離子體環(huán)投送過(guò)程中的磁場(chǎng)特性,本文提出等離子體環(huán)對(duì)空間目標(biāo)的磁控方法,如圖5所示操控航天器抵近空間目標(biāo),等離子體環(huán)射出方向由操控航天器指向空間目標(biāo),一是將等離子體環(huán)的磁場(chǎng)投送至旋轉(zhuǎn)的失效航天器附近,失效航天器由于旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的渦流磁場(chǎng)與操控航天器投送的等離子體環(huán)的磁場(chǎng)相互作用使得失效航天旋轉(zhuǎn)速度降到回收閾值,便于后續(xù)失效航天器的拖曳離軌工作。此外,磁化同軸槍結(jié)構(gòu)與等離子體推進(jìn)器結(jié)構(gòu)相似,可進(jìn)一步與等離子推進(jìn)器改裝結(jié)合,更適用于未來(lái)太空碎片的清理等在軌任務(wù)。二是利用等離子體環(huán)的動(dòng)態(tài)磁勢(shì)阱對(duì)攜帶電磁裝置的伴隨衛(wèi)星進(jìn)行快速引導(dǎo)回收,等離子體環(huán)沿伴隨衛(wèi)星和操控航天器連線方向射出,攜帶電磁裝置的伴隨衛(wèi)星沿等離子環(huán)磁勢(shì)阱快速運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)伴星的快速相應(yīng)回收。

本文基于上述任務(wù)背景分別開(kāi)展地面場(chǎng)景下單自由度消旋仿真實(shí)驗(yàn)和快速響應(yīng)伴星回收實(shí)驗(yàn),并與傳統(tǒng)電磁控制方法比對(duì),針對(duì)其效能展開(kāi)分析。

3.1 基于磁場(chǎng)遠(yuǎn)距投送的電磁消旋應(yīng)用

3.1.1 電磁消旋模型

單自由度電磁消旋系統(tǒng)主要包括:電磁消旋裝置與可控高精度高速旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)。

如圖8所示,建立單自由度失效航天器電磁消旋模型[32-33]。

圖8 單自由度電磁消旋系統(tǒng)Fig.8 Single-degree-of-freedom electromagnetic de-spin system

現(xiàn)假設(shè)失效航天器為一電導(dǎo)率為σ=35.335 69 s/m的鋁制薄壁球殼,則有失效航天器在背景磁場(chǎng)B下的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)方程為

(7)

式中:ω為失效航天器繞旋轉(zhuǎn)主軸的角速度;r1,r2分別為球殼的內(nèi)徑和外徑;B⊥為垂直于旋轉(zhuǎn)主軸磁場(chǎng)矢量;Mi為失效航天器質(zhì)量;α為航天器角度矢量。將式(5)中等離子體環(huán)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的失效航天器位置處的強(qiáng)度B(s)代入式(7)中,即可求得失效航天器的角速度變化曲線。

3.1.2 數(shù)值仿真

磁化同軸槍參數(shù)如表1所示,等離子體環(huán)狀態(tài)如表2所示,開(kāi)展對(duì)50 m處的失效航天器消旋仿真。圖9為等離子體環(huán)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中在失效航天器附近產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度,等離子體環(huán)在失效航天器附近5 m范圍內(nèi),等離子體環(huán)的磁能效率得到大幅提升;如圖10所示,在以8 Hz投送頻率下和等離子體環(huán)的作用下,可在400 s以內(nèi)完成對(duì)10 rad/s轉(zhuǎn)速的失效航天器的消旋任務(wù)。

圖9 目標(biāo)航天器處磁場(chǎng)變化Fig.9 Magnetic field changes of target spacecraft

圖10 目標(biāo)航天器旋轉(zhuǎn)速度變化Fig.10 Rotation speed changes of target spacecraft

圖11 伴星回收仿真場(chǎng)景Fig.11 Companion craft recovery simulation scene

基于上述仿真結(jié)果,在未考慮失效航天器產(chǎn)生的二級(jí)渦流場(chǎng)的情況下,可實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)消旋,且磁能利用率大幅提高,便于失效航天器的快速回收,大幅縮短任務(wù)時(shí)間,擴(kuò)大有效磁控空間,大幅提升操控航天器的安全性,延長(zhǎng)了操控航天器的工作壽命。

本文所提出的基于磁凍結(jié)等離子體環(huán)遠(yuǎn)距投送的新型磁控方法,在電磁消旋任務(wù)中,磁凍結(jié)等離子體環(huán)可在失效航天器附近產(chǎn)生周期性動(dòng)態(tài)磁場(chǎng),在考慮由周期性變化磁場(chǎng)激發(fā)得到的二級(jí)或三級(jí)渦流場(chǎng)的情況下,可實(shí)現(xiàn)失效航天器的快速響應(yīng)消旋,為失效航天器的快速離軌提供充分的準(zhǔn)備工作。此外,對(duì)于非磁性材料的航天器或太空碎片而言,等離子體環(huán)在其附近產(chǎn)生的周期性磁場(chǎng),可激發(fā)其二級(jí)渦流場(chǎng),在等離子體環(huán)的磁場(chǎng)與二級(jí)渦流場(chǎng)的作用下可以使得非磁材料起旋,進(jìn)一步利用渦流場(chǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)非磁性材料的航天器或太空碎片的電磁操控。

3.2 基于動(dòng)態(tài)磁勢(shì)阱引導(dǎo)的伴星回收應(yīng)用

3.2.1 伴星回收模擬仿真分析

如圖6所示,為驗(yàn)證伴星在磁凍結(jié)等離子體環(huán)動(dòng)態(tài)磁勢(shì)阱中的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì),建立地面六自由度姿軌耦合地面仿真場(chǎng)景,初始回收狀態(tài)如圖8所示,分別為最大電磁力(見(jiàn)圖6(a))和最大電磁力矩(見(jiàn)圖6(b))兩種狀態(tài)。

在此基礎(chǔ)上,建立伴星的相對(duì)運(yùn)動(dòng)模型,現(xiàn)假設(shè)同軸槍體坐標(biāo)系與地球慣性坐標(biāo)系重合記為OxEyEzE,等離子體環(huán)投送方向由同軸槍質(zhì)心指向伴隨衛(wèi)星質(zhì)心,伴隨衛(wèi)星T0和等離子體環(huán)CTi的體坐標(biāo)系為Oxbiybizbi,(i=0,1,…,n),且分別由地球慣性坐標(biāo)系進(jìn)行3-2-1旋轉(zhuǎn)得到,旋轉(zhuǎn)角為αi,βi,γi(i=0,1,…,n)。設(shè)伴隨位置衛(wèi)星的位置矢量為xT,角度矢量為θT,角速度矢量為ωT,則有相對(duì)運(yùn)動(dòng)方程為

(8)

式中:μT為伴隨衛(wèi)星磁矩矢量;μCTi(i=1,2,…,n),為磁凍結(jié)等離子體環(huán)磁矩矢量;ρi=xCTi-xT(i=1,2,…,n)為等離子環(huán)與伴隨衛(wèi)星的位置矢量差,由等離子體環(huán)指向伴隨衛(wèi)星,其中ρi=‖ρi‖;C為3-2-1轉(zhuǎn)系下的角速度轉(zhuǎn)換矩陣;MT和JT分別為伴隨衛(wèi)星的質(zhì)量和主軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

在以投送頻率為f的序列等離子體環(huán)的作用下,μCTi、ρi具有周期特性。因此,在距離足夠遠(yuǎn)的情況下,伴隨衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)也具有周期特性。

3.2.2 數(shù)值仿真

磁化同軸槍參數(shù)如表1所示,等離子體環(huán)狀態(tài)如表2所示,開(kāi)展對(duì)100 m處質(zhì)量為10 kg的動(dòng)態(tài)磁勢(shì)阱引導(dǎo)伴隨衛(wèi)星回收的仿真驗(yàn)證,仿真結(jié)果如圖12所示。

圖12 伴星回收任務(wù)中伴星運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化Fig.12 Changes of companion craft motion during the companion recovery mission

在磁凍結(jié)等離子體環(huán)動(dòng)態(tài)磁勢(shì)阱引導(dǎo)伴隨衛(wèi)星快速響應(yīng)回收任務(wù)中,磁凍結(jié)等離子體環(huán)的動(dòng)態(tài)磁勢(shì)阱占據(jù)絕對(duì)主導(dǎo)地位,但在伴星回收的法向會(huì)因角度偏差引起可控的周期性小擾動(dòng),后續(xù)可結(jié)合傳統(tǒng)電磁裝置的電磁力混合控制實(shí)現(xiàn)對(duì)伴隨衛(wèi)星的精準(zhǔn)回收,為伴星回收提供一種新型的、自適應(yīng)的、快速響應(yīng)的方法。此外,可通過(guò)磁凍結(jié)等離子體環(huán)動(dòng)態(tài)磁勢(shì)阱引導(dǎo)伴星回收過(guò)程可逆,進(jìn)而可以引導(dǎo)伴隨衛(wèi)星進(jìn)行精準(zhǔn)投送任務(wù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

磁場(chǎng)遠(yuǎn)距投送可有效拓展傳統(tǒng)磁控空間及提升操控性能,為一亟待解決的科學(xué)與工程應(yīng)用問(wèn)題。

基于磁凍結(jié)等離子體環(huán)的特點(diǎn),本文對(duì)其投送過(guò)程的放電狀態(tài)、磁場(chǎng)變化、磁勢(shì)阱等特征參量展開(kāi)分析;在雪犁模型基礎(chǔ)上,結(jié)合空間環(huán)境及在軌應(yīng)用需求,提出一種可擴(kuò)大磁控空間,提高磁能利用率,增加操控航天器安全性的新型磁控方法;基此建立了等離子體環(huán)遠(yuǎn)距投送的單自由度電磁消旋模型及六自由度伴星回收模型并展開(kāi)仿真分析。仿真結(jié)果表明,隨著同軸槍電容組電路和裝置參數(shù)的改進(jìn),可有效提升等離子體環(huán)遠(yuǎn)距投送的磁控效能及磁控空間。目前,相關(guān)樣機(jī)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作已相繼展開(kāi),后續(xù)可結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果完善模型。

綜上所述,本文所提基于磁凍結(jié)等離子體環(huán)磁場(chǎng)遠(yuǎn)距投送的新型磁控方法,為突破現(xiàn)有電磁效應(yīng)局限性提供新思路,一是將凍結(jié)磁場(chǎng)強(qiáng)度可觀的等離子體環(huán)以超高速度定向投送,有效擴(kuò)展了磁控空間,提高磁能利用率,且一定程度上降低了磁場(chǎng)源間的強(qiáng)耦合性;二是可利用序列等離子體環(huán)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)磁勢(shì)阱,對(duì)電磁目標(biāo)進(jìn)行引導(dǎo),在保持傳統(tǒng)電磁操控的自適應(yīng)性的同時(shí),對(duì)可控自適應(yīng)空間進(jìn)行延伸;三是針對(duì)非磁性材料的渦流控制,磁控方法可利用其在目標(biāo)處產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)變化磁場(chǎng)形成激發(fā)渦流場(chǎng)、控制等。