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CN105857647B - 低速自旋空间非磁化金属碎片的加速消旋磁场的产生方法 - Google Patents

低速自旋空间非磁化金属碎片的加速消旋磁场的产生方法 Download PDF

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CN105857647B CN201610177608.0A CN201610177608A CN105857647B CN 105857647 B CN105857647 B CN 105857647B CN 201610177608 A CN201610177608 A CN 201610177608A CN 105857647 B CN105857647 B CN 105857647B
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徐永强
孙楚昕
宋受俊
岳晓奎
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Northwestern Polytechnical University
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    • B64G4/00—Tools specially adapted for use in space
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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Abstract

本发明涉及一种低速自旋空间非磁化金属碎片的加速消旋磁场的产生方法，利用在与恒定消旋磁场相正交的方向上施加变化磁场，从而在碎片导体内部产生涡流，与在恒定磁场作用下碎片旋转运动产生的涡流共同作用，以增强低速旋转碎片内部的涡流效应，提高恒定磁场作用下的消旋转矩，缩短碎片消旋时间的一种磁场设置方法。本发明方法同现有技术相比具有以下优点：利用变化磁场产生涡流，与非磁化金属碎片旋转运动在磁场中产生的涡流叠加，产生消旋转矩，提高了能量传递的效率，增大了消旋转矩，减小了消旋时间。

Description

低速自旋空间非磁化金属碎片的加速消旋磁场的产生方法
技术领域
本发明属于空间碎片清理技术领域，涉及对空间非磁化金属碎片进行消旋的磁场技术，具体涉及一种低速自旋空间非磁化金属碎片的加速消旋磁场的产生方法。
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，没有考虑到恒定磁场与变化磁场相互配合的磁场设置方法。
在《ACTA ASTRONAUTICA》2012年第76卷145-153页刊登的“Study on the eddycurrent damping of the spin dynamics of space debris from the Ariane launcherupper 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 appliedto de-tumbling of space debris:Analysis and validation of approximateproposed 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。该技术通过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。由于涡流的大小与碎片运动速度有关，碎片运动速度越快，涡流越大，消旋转矩越大，当碎片旋转的速度较慢时，消旋转矩也会比较小，在消旋的过程中，碎片的旋转速度会越来越小，消旋转矩也会变得越来越小，消旋所需时间较长。
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进行消旋。由于涡流的大小与碎片运动速度有关，碎片运动速度越快，涡流越大，消旋转矩越大；当碎片旋转的速度较慢时，消旋转矩也会比较小。在消旋的过程中，碎片的旋转速度会越来越小，消旋转矩也会变得越来越小，消旋所需时间则会更长。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种低速自旋空间非磁化金属碎片的加速消旋磁场的产生方法，利用变化磁场在非磁化金属碎片上产生涡流，与碎片运动在磁场中产生的涡流共同作用，形成涡流转矩的变化磁场，增强涡流转矩，加速消旋过程，提高消旋效率。
技术方案
一种低速自旋空间非磁化金属碎片的加速消旋磁场的产生方法，其特征在于：在恒定磁场的正交方向施加一个交变磁场，在碎片导体内部共同产生涡流，增强涡流转矩，加速消旋过程，具体步骤如下：
步骤1：在与非磁化金属碎片的旋转主轴垂直的平面内，以碎片主轴通过点为原点，选择两个任意相互垂直的方向为x轴和y轴，在两个轴向方向施加磁场M和磁场N；磁场M的正方向为y轴负方向，磁场N的正方向的为x轴正方向；
步骤2：确定产生消旋转矩的条件：
1、当磁场M为具有恒定的磁场强度H1时，磁场N为变化的磁场强度H2：
情况1：当碎片逆时针旋转时：
若磁场M恒定的磁场强度H1＞0，磁场N施加变化的磁场强度H2沿x轴正方向减小，为
若磁场M恒定的的磁场强度H1＜0，磁场N施加变化的磁场强度H2沿x轴正方向增加，为
情况2：当碎片顺时针旋转时：
若磁场M恒定的磁场强度H1＞0，磁场N施加变化的磁场强度H2沿x轴正方向增加，为
若磁场M恒定的磁场强度H1＜0，磁场N施加变化的磁场强度H2沿x轴正方向减小，为
2、磁场M具有变化的磁场强度H1，磁场N具有恒定的磁场强度H2；
情况1：当碎片逆时针旋转时：
若磁场N恒定的磁场强度H2＞0，磁场M施加变化的磁场强度H1沿y轴负方向增加，为
若磁场N恒定的磁场强度H2＜0，磁场M施加变化的磁场强度H1沿y轴负方向减小，为
情况2：当碎片顺时针旋转时：
若磁场N恒定的磁场强度H2＞0，磁场M施加变化的磁场强度H1沿y轴负方向减小，为
若磁场N恒定的磁场强度H2＜0，磁场M施加变化的磁场强度H1沿y轴负方向增加，为
所述施加的交变磁场为方波、三角波、锯齿波或梯形波。
有益效果
本发明提出的一种低速自旋空间非磁化金属碎片的加速消旋磁场的产生方法，利用在与恒定消旋磁场相正交的方向上施加变化磁场，从而在碎片导体内部产生涡流，与在恒定磁场作用下碎片旋转运动产生的涡流共同作用，以增强低速旋转碎片内部的涡流效应，提高恒定磁场作用下的消旋转矩，缩短碎片消旋时间的一种磁场设置方法。
本发明方法同现有技术相比具有以下优点：利用变化磁场产生涡流，与非磁化金属碎片旋转运动在磁场中产生的涡流叠加，产生消旋转矩，提高了能量传递的效率，增大了消旋转矩，减小了消旋时间。
附图说明
图1：磁场作用方式示意图
图2：M为恒定磁场，N为变化磁场时感应电流示意图
图3：M为恒定磁场，N为变化磁场时磁场设置示意图
图4：N为恒定磁场，M为变化磁场时感应电流示意图
图5：N为恒定磁场，M为变化磁场时磁场设置示意图
图6：交替作用时磁场设置示意图
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
本发明是一种利用变化磁场在非磁化金属碎片上产生涡流，与碎片运动在磁场中产生的涡流共同作用，形成涡流转矩的变化磁场技术，其技术特征在于它含有以下内容：
(1)磁场的作用形式
在与非磁化金属碎片的旋转主轴垂直的平面内，任意选择两个相互垂直的方向，以碎片主轴通过点为原点，两个垂直方向分别记为x轴和y轴。分别在两个轴向方向施加磁场M和磁场N。为讨论方便，规定碎片旋转方向为逆时针时为正，磁场M的正方向为y轴负方向，磁场N的正方向的为x轴正方向；
(2)当磁场M具有恒定的磁场强度H1，磁场N具有变化的磁场强度H2时，产生消旋转矩的条件
碎片逆时针旋转时，当磁场M具有恒定的磁场强度H1且沿y轴负方向时，记为H1＞0，此时产生的涡流方向为x轴上侧导体中电流流出纸面，x轴下侧导体中电流流入纸面。此时涡流转矩的方向与转速相反，属于消旋转矩。为产生同样方向的消旋转矩，要求在x轴方向的磁场N在导体中感应出来的涡流方向应该与磁场M单独作用时的涡流方向相同，即感应磁场的方向应该沿着x轴正方向，根据楞次定律，感应电流的磁场要阻碍原磁通的变化。此时，消旋转矩产生的条件是：磁场N的磁场强度H2沿x轴正方向是减小的，记为同理，当H1＜0时，消旋转矩产生的条件是：磁场N的磁场强度H2沿x轴正方向是增加的，记为
碎片顺时针旋转时，与之类似。这里仅给出结论。即消旋转矩产生的条件是：当H1＜0时，磁场N的磁场强度H2沿x轴正方向是减小的，记为当H1>0时，磁场N的磁场强度H2沿x轴正方向是增加的，记为
(3)磁场M具有变化的磁场强度H1，磁场N具有恒定的磁场强度H2，产生消旋转矩的条件
碎片逆时针旋转时，当磁场N具有恒定的磁场强度H2且沿x轴正方向时，即H2＞0时，此时产生的涡流方向为y轴左侧导体中电流流出纸面，y轴右侧导体中电流流入纸面。此时涡流转矩的方向与转速相反，属于消旋转矩。为产生同样方向的消旋转矩，要求在y轴方向的磁场,在导体中感应出来的涡流方向应该与N磁场单独作用时的涡流方向相同，即感应磁场的方向应该沿着y轴正方向，根据楞次定律，感应电流的磁场要阻碍原磁通的变化。此时，消旋转矩产生的条件是：磁场M的磁场强度H1沿y轴负方向是增加的，记为同理，当H2＜0时，消旋转矩产生的条件是：磁场M的磁场强度H1沿y轴负方向是减小的，记为
碎片顺时针旋转时，与之类似。所以消旋转矩产生的条件是：当H2＜0时，磁场M的磁场强度H1沿y轴负方向是增加的，记为当H2＞0时，磁场M的磁场强度H1沿y轴负方向是减小的，记为
本实施例是关于产生消旋转矩的磁场条件，碎片的结构形式对磁场条件不构成影响，为方便起见，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如图1的所示的直角坐标系，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，沿x轴方向和y轴方向分别施加M和N磁场，磁场强度分别为H1和H2，图示方向为正方向。
如图2所示，碎片逆时针旋转时，当磁场M具有恒定的磁场强度H1且沿y轴负方向时，记为H1＞0，此时产生的涡流方向为x轴上侧导体中电流流出纸面，x轴下侧导体中电流流入纸面。此时涡流转矩的方向与转速相反，属于消旋转矩。为产生同样方向的消旋转矩，要求在x轴方向的磁场N在导体中感应出来的涡流方向应该与磁场M单独作用时的涡流方向相同，即感应磁场的方向应该沿着x轴正方向，根据楞次定律，感应电流的磁场要阻碍原磁通的变化。此时，消旋转矩产生的条件是：磁场N的磁场强度H2沿x轴正方向是减小的，记为同理，当H1＜0时，消旋转矩产生的条件是：磁场N的磁场强度H2沿x轴正方向是增加的，记为
此时，满足产生消旋转矩的磁场设置条件的M和N磁场可以设置成图3所示，但不局限于图3所示的类型。从图3中可以看出，在0-t1段，M磁场磁场强度H1为正，N磁场磁场强度H2的变化率在t1-t2段，M磁场磁场强度H2为负，N磁场的变化率下一个周期重复上述过程，此时所产生的转矩与碎片的运动方向相反，为消旋转矩。
如图4所示，当磁场N具有恒定的磁场强度H2且沿x轴正方向时，即H2＞0时，此时产生的涡流方向为y轴左侧导体中电流流出纸面，y轴右侧导体中电流流入纸面。此时涡流转矩的方向与转速相反，属于消旋转矩。为产生同样方向的消旋转矩，要求在y轴方向的磁场,在导体中感应出来的涡流方向应该与N磁场单独作用时的涡流方向相同，即感应磁场的方向应该沿着y轴正方向，根据楞次定律，感应电流的磁场要阻碍原磁通的变化。此时，消旋转矩产生的条件是：磁场M的磁场强度H1沿y轴负方向是增加的，记为同理，当H2＜0时，消旋转矩产生的条件是：磁场M的磁场强度H1沿y轴负方向是减小的，记为
此时，满足产生消旋转矩的磁场设置条件的M和N磁场可以设置成图3所示，但不局限于图3所示的类型。从图3中可以看出，在0-t1段，N磁场磁场强度H2为正，M磁场磁场强度H1的变化率在t1-t2段，N磁场磁场强度H2为负，M磁场的磁场强度H1变化率下一个周期重复上述过程，此时所产生的转矩与碎片的运动方向相反，为消旋转矩。
综合以上两种情况，同时考虑到恒定磁场由正向变到负向要有一个变化过程，可以将两种磁场设置成图4方式。但不局限于图中所示方式。如图所示，在0-t1段，M为恒定磁场，且H1>0，N为变化磁场，且在t1-t2段，N为恒定磁场，且H2<0，H1为变化磁场，且在t2-t3段，M为恒定磁场，且H1<0，N为变化磁场，且在t3-t4段，N为恒定磁场，且H2>0，M为变化磁场，且下一周期重复上述过程。此时，产生的转矩方向与碎片旋转方向相反，为消旋转矩。
对于碎片按照顺时针旋转的情况，技术方案中已给出详细的条件，这里不再举例说明。

Claims (2)

1.一种低速自旋空间非磁化金属碎片的加速消旋磁场的产生方法，其特征在于：在恒定磁场的正交方向施加一个交变磁场，在碎片导体内部共同产生涡流，增强涡流转矩，加速消旋过程，具体步骤如下：
步骤1：在与非磁化金属碎片的旋转主轴垂直的平面内，以碎片主轴通过点为原点，选择两个任意相互垂直的方向为x轴和y轴，在y轴和x轴两个轴向方向分别施加磁场M和磁场N；磁场M的正方向为y轴负方向，磁场N的正方向的为x轴正方向；
步骤2：确定产生消旋转矩的条件：
1、当磁场M为具有恒定的磁场强度H1时，磁场N为变化的磁场强度H2：
情况1：当碎片逆时针旋转时：
若磁场M恒定的磁场强度H1＞0，磁场N施加变化的磁场强度H2沿x轴正方向减小，为
若磁场M恒定的的磁场强度H1＜0，磁场N施加变化的磁场强度H2沿x轴正方向增加，为
情况2：当碎片顺时针旋转时：
若磁场M恒定的磁场强度H1＞0，磁场N施加变化的磁场强度H2沿x轴正方向增加，为
若磁场M恒定的磁场强度H1＜0，磁场N施加变化的磁场强度H2沿x轴正方向减小，为
2、磁场M具有变化的磁场强度H1，磁场N具有恒定的磁场强度H2；
情况1：当碎片逆时针旋转时：
若磁场N恒定的磁场强度H2＞0，磁场M施加变化的磁场强度H1沿y轴负方向增加，为
若磁场N恒定的磁场强度H2＜0，磁场M施加变化的磁场强度H1沿y轴负方向减小，为
情况2：当碎片顺时针旋转时：
若磁场N恒定的磁场强度H2＞0，磁场M施加变化的磁场强度H1沿y轴负方向减小，为
若磁场N恒定的磁场强度H2＜0，磁场M施加变化的磁场强度H1沿y轴负方向增加，为
2.根据权利要求1所述的低速自旋空间非磁化金属碎片的加速消旋磁场的产生方法，其特征在于：所述施加的交变磁场为方波、三角波、锯齿波或梯形波。
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