[发明专利]激光烧蚀驱动不规则三维目标力学行为的计算方法

说明书

本发明公开了一种通过目标表面三角化三维重构来计算不规则目标在激光烧蚀驱动下力学行为的计算方法，该方法根据不规则目标表面顶点信息，通过表面三角化三维重构，将其表面转化为多个三角面的组合。以三角面划分计算单元对不规则目标的基本参数和受力情况进行计算，从而将难以计算的激光烧蚀驱动不规则目标表面问题转化为计算多个激光烧蚀驱动简单平面目标问题。

技术领域

本发明涉及航天和激光技术领域，尤其涉及基于不规则空间目标和激光的相互作用的激光烧蚀驱动不规则三维目标力学行为的计算方法。

背景技术

空间碎片是指地球轨道上一切无功能的人造物体及其部件或碎块。截止 2016年9月底，空间碎片总质量已达7000吨，其中在LEO区域的质量为 2700吨。日益增多的空间碎片对航天器安全和航天员生命构成巨大潜在威胁，严重影响了正常的航天活动。如果放任空间碎片环境继续恶化，当碎片密度达到一个临界值时将发生碎片链式撞击效应(凯斯勒效应)，之后近地空间将彻底不可用。为了从根本上扭转空间碎片环境不断恶化的趋势，对空间碎片进行主动清除就成了当务之急。在众多的空间碎片主动移除技术中，激光清除技术具有操作简便、反应迅速、成本低、可靠性高以及可多次使用的特点，该技术不仅能够高效清除1-10cm的空间碎片，也能够防止空间碎片与航天器或碎片之间的相互撞击，可有效地控制空间碎片数量，成为当前空间碎片主动清除方案的研究热点。

激光清除空间碎片技术，是通过高能量脉冲激光作用空间碎片表面，使其表面材料融化气化并电离产生等离子体，这些物质高速反喷使得碎片获得一个冲量，从而改变其运动状态，使其轨道发生改变，进入没有威胁的坟墓轨道或进入大气层再入烧毁。

激光作用下目标的动力学行为是激光清除空间碎片的核心关键技术之一，它决定了激光能否真正实现对碎片的精准驱动。太空中的空间碎片材料不同、外形各异且运动状态复杂，是典型的不规则三位目标，从而导致其激光烧蚀驱动效果及之后的运动状态难以预估。为了实现对碎片的精准操控，需要将其材料、形状、速度、自旋等参数与驱动激光的波长、脉宽、能量、重频等参数综合考虑，建立激光驱动下目标的动力学响应模型，获得精确计算目标在激光作用后的运动状况的方法。在这一领域，美国的Phipps等人对激光与物质作用时的冲量耦合规律和冲量耦合系数变化规律进行了研究。中国装备学院的金星、常浩等人研究了冲量耦合过程中的等离子体羽流形貌并建立了对静止状态下典型材料典型外形的激光冲量耦合系数实验测量计算方法。但是上述各方法只是针对不同材料在特定激光能量密度作用下对特定外形(平板状、球状)的冲量耦合系数，无法将其直接用于实际激光驱动不规则碎片时的计算。美国劳伦斯利费莫尔国家实验室的Duane A.Liedahl 研究了激光作用不规则外形物体时的冲量耦合系数和不规则外形对作用效果的影响，提出了了针对激光作用不规则碎片时的理论计算方法。

首先，已有的计算方法只是一个指引性的公式，对每一特定形状目标都需要当作特例具体分析计算，不具备普遍适用性和通用性。其次，该方法需要获得目标所有受照射表面的准确几何信息，包括曲面方程。在此基础上分别计算各表面激光辐照产生的冲量，进而获得总的驱动效果，对于曲面还需要根据曲面方程进行积分。然而，在实际应用过程中，不规则目标的准确几何信息是难以获得的，尤其是复杂不规则表面的曲面方程。因此，该方法也不具备实际可操作性，也无法真正在工程应用中使用。因此，建立一种针对不规则三维目标普遍适用的激光烧蚀驱动计算方法，对于激光清除空间碎片技术的工程化应用发展十分必要。

发明内容

鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种激光烧蚀驱动不规则三维目标力学行为的计算方法，该方法普适性强、计算方法简单、误差可控、能够通用化。通过建立综合考虑目标参数(材质、形状)和激光参数(波长、脉宽、能量密度)的激光作用目标力学行为模型，真实、准确的计算激光作用后不规则目标包括位移旋转在内的动力学行为，为激光清除空间碎片提供基础数学模型，为激光清除碎片总体方案技术指标确定提供依据。