基于分離式多望遠鏡形式的激光合束空間碎片清除系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】基于分離式多望遠鏡形式的激光合束空間碎片清除系統(tǒng)，涉及空間【技術(shù)領(lǐng)域】，解決現(xiàn)有地面高能激光發(fā)射系統(tǒng)對空間碎片過程中存在光路中元件受熱變形等問題，本系統(tǒng)從地面發(fā)射多束高功率激光到空間碎片上，多光束能量的疊加實現(xiàn)對空間碎片的燒蝕作用。為了提高光束在空間碎片上面的作用效果，系統(tǒng)中采用了自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)對光學(xué)元件熱變形和大氣引起的擾動進行校正；同時，系統(tǒng)使用激光導(dǎo)星技術(shù)，提高了對暗弱空間目標(biāo)的作用能力。該空間碎片清除系統(tǒng)是在地球表面上實現(xiàn)對空間碎片清除的一種方式，系統(tǒng)應(yīng)用能量疊加的原理，采用多束激光發(fā)射，能夠?qū)崿F(xiàn)對不同軌道高度的空間碎片進行處理，各關(guān)鍵單元技術(shù)實現(xiàn)難度降低，維護方便，成本也相應(yīng)減少。
【專利說明】基于分離式多望遠鏡形式的激光合束空間碎片清除系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及空間【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及空間碎片的清除技術(shù)。

【背景技術(shù)】
[0002] 空間碎片是指圍繞地心軌道運行的人造物體，一般已經(jīng)沒有利用價值。它是人類 進行空間活動的產(chǎn)物，包括停止運行的航天器（如衛(wèi)星、空間站、航天飛機等）、用于發(fā)射衛(wèi) 星的火箭殘留物、多級火箭分離所產(chǎn)生的碎片、空間物體之間碰撞產(chǎn)生的碎片等。隨著人類 空間活動的進行，空間碎片的數(shù)量呈現(xiàn)不斷增長的趨勢，其潛在的碰撞風(fēng)險嚴(yán)重威脅著航 天器的安全在軌運行。
[0003] 對空間碎片的研究重點在于監(jiān)視與清除。對空間碎片進行監(jiān)視，是給出每一個瞬 間其在天空中的位置及變化，確定運行軌道。雖然對于一些規(guī)律運行的空間碎片，航天器可 以根據(jù)其運行軌道采取主動規(guī)避措施避免碰撞，但是對新產(chǎn)生的碎片或是較小的碎片，主 動規(guī)避措施就將會失效。所以為了確保航天器的安全運行，有必要采取主動清除手段對空 間碎片進行處理。
[0004] 從地面上發(fā)射高能激光束到空間碎片，利用激光對空間碎片材料的燒蝕作用，實 現(xiàn)對空間碎片去除是一種可行的方案。目前，類似的系統(tǒng)基本上都是采用一套激光發(fā)射系 統(tǒng)把一束高能激光發(fā)射到目標(biāo)上。這種激光作用系統(tǒng)，除了激光器自身的性能影響之外，受 激光照射的擴束光路中的鏡片會產(chǎn)生溫度變形，使系統(tǒng)的出射光束質(zhì)量達不到最優(yōu)的性能 指標(biāo)；另外激光經(jīng)大氣傳輸?shù)竭_目標(biāo)，大氣湍流會使激光產(chǎn)生畸變，而且強激光傳輸?shù)拇髿?熱暈效應(yīng)也會引起激光畸變，從而造成碎片靶標(biāo)上的激光功率不均勻或下降，嚴(yán)重影響系 統(tǒng)的效能。針對上述問題，目前比較好的解決辦法是在激光發(fā)射系統(tǒng)中引入自適應(yīng)光學(xué)技 術(shù)，實現(xiàn)激光束整形與大氣傳輸校正。
[0005] 為了實現(xiàn)較好的空間碎片去除效果，要求到達碎片上的激光功率密度足夠大。這 一方面可以增大發(fā)射激光器的功率；另一方面可以增大發(fā)射望遠鏡的口徑，使采用自適應(yīng) 光學(xué)技術(shù)后，在空間碎片上的接近衍射極限光斑足夠小。但是，單純增大功率對激光器技術(shù) 的要求較高，并且激光功率增大之后，光路系統(tǒng)中的光學(xué)元件溫度變形會變得難以控制，嚴(yán) 重影響出射光束質(zhì)量；而增大發(fā)射望遠鏡的口徑則對望遠鏡技術(shù)提出了更高的要求，相對 應(yīng)的自適應(yīng)光學(xué)規(guī)模也會加大，這些都會增加系統(tǒng)的實現(xiàn)難度及成本。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明為解決地面高能激光發(fā)射系統(tǒng)對空間碎片過程中存在光路中元件受熱變 形等問題，提供一種基于分離式多望遠鏡形式的激光合束空間碎片清除系統(tǒng)。
[0007] 基于分離式多望遠鏡形式的激光合束空間碎片清除系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括多組望遠鏡 系統(tǒng)，所述每組望遠鏡系統(tǒng)包括激光發(fā)射望遠鏡激光導(dǎo)星單元、光路中繼系統(tǒng)、自適應(yīng)光學(xué) 組件和高功率激光發(fā)射器；
[0008] 所述每組望遠鏡系統(tǒng)內(nèi)的激光導(dǎo)星單元發(fā)射的激光光束在空中形成激光導(dǎo)星，導(dǎo) 星光線依次經(jīng)激光發(fā)射望遠鏡及光路中繼系統(tǒng)后，進入自適應(yīng)光學(xué)組件，所述自適應(yīng)光學(xué) 組件測得當(dāng)前系統(tǒng)波像差，并進行校正，高功率激光發(fā)射器發(fā)射的激光束依次通過自適光 學(xué)組件、光路中繼系統(tǒng)、折轉(zhuǎn)鏡以及三鏡后，經(jīng)激光發(fā)射望遠鏡發(fā)射到空間碎片目標(biāo)上，實 現(xiàn)對空間碎片的清除。
[0009] 本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明在地面上實現(xiàn)對空間碎片的清除作用，利用光束能量 疊加原理，系統(tǒng)中應(yīng)用了基于激光導(dǎo)星的自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)，能夠提高空間碎片清除效果及 效率。避免了發(fā)射在軌空間清除裝置的高成本、高系統(tǒng)復(fù)雜度等風(fēng)險；采用多激光合束技 術(shù)，可以降低對單個激光器功率的要求，弱化單一高功率激光器所帶來的鏡面熱變形問題， 同時對望遠鏡技術(shù)的要求也相應(yīng)降低；采用自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)，提高了大氣對激光傳輸?shù)挠?響；采用激光導(dǎo)星技術(shù)，提高了對暗弱空間碎片目標(biāo)的作用效果。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010] 圖1為本發(fā)明所述的基于分離式多望遠鏡形式的激光合束空間碎片清除系統(tǒng)的 結(jié)構(gòu)示意圖；
[0011] 圖2為本發(fā)明所述的基于分離式多望遠鏡形式的激光合束空間碎片清除系統(tǒng)中 單個望遠鏡系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0012] 圖3為本發(fā)明所述的基于分離式多望遠鏡形式的激光合束空間碎片清除系統(tǒng)中 傾斜校正鏡的實現(xiàn)方式示意圖；
[0013] 圖4為本發(fā)明所述的基于分離式多望遠鏡形式的激光合束空間碎片清除系統(tǒng)中 變形鏡的實現(xiàn)方式示意圖；
[0014] 圖5為本發(fā)明所述的基于分離式多望遠鏡形式的激光合束空間碎片清除系統(tǒng)中 激光導(dǎo)星單元的結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實施方式】

【具體實施方式】 [0015] 一、結(jié)合圖1至圖5說明本實施方式，基于分離式多望遠鏡形式的激 光合束空間碎片清除系統(tǒng)，對于分離式多望遠鏡形式，各望遠鏡系統(tǒng)都有一套相應(yīng)的支撐 及目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)，該支撐與跟蹤系統(tǒng)為大多數(shù)望遠鏡的固有組成部分，每個望遠鏡系統(tǒng)主 要由激光發(fā)射望遠鏡、激光導(dǎo)星單元3、光路中繼系統(tǒng)6、自適應(yīng)光學(xué)組件7和高功率激光發(fā) 射器8組成。其中單塊式主鏡1、次鏡2組成的主光學(xué)系統(tǒng)安裝在一套支撐及目標(biāo)跟蹤系 統(tǒng)上面，構(gòu)成激光發(fā)射望遠鏡；激光導(dǎo)星單元3安裝在次鏡2的背面，發(fā)射一束激光到約90 公里的海拔高度，形成激光導(dǎo)星，望遠鏡接收導(dǎo)星的光線，經(jīng)過光路中繼系統(tǒng)6后，進入自 適應(yīng)光學(xué)組件7,自適應(yīng)光學(xué)組件7測得當(dāng)前的系統(tǒng)波像差，并進行校正。由高功率激光發(fā) 射器8發(fā)射的激光束依次通過各自的自適應(yīng)光學(xué)組件7、光路中繼系統(tǒng)6、折轉(zhuǎn)鏡5和三鏡 4后，由激光發(fā)射望遠鏡發(fā)射出去。因為由大氣擾動引起的波像差已經(jīng)過自適應(yīng)光學(xué)組件 7校正，所以這時從望遠鏡發(fā)射到空間碎片目標(biāo)上的激光束也是校正好的，激光在目標(biāo)上的 能量將高度集中，各望遠鏡系統(tǒng)發(fā)射的激光束能量的疊加將對空間碎片產(chǎn)生燒蝕效果。
[0016] 結(jié)合圖2說明本實施方式，光路中繼系統(tǒng)6由第一光路組件6-1、第二光路組件 6- 2和第三光路組件6-3組成，所述自適應(yīng)光學(xué)組件7由傾斜校正鏡7-1、第二光學(xué)組件 7- 4、第三光學(xué)組件7-5、第四光學(xué)組件7-6、第五光學(xué)組件7-7、變形鏡7-3、波前傾斜傳感器 7-8、波前傳感器7-9、波前處理器7-10、傾斜校正控制器7-11和變形鏡控制器7-12組成； 所述第一光路組件6-1、第二光路組件6-2和第三光路組件6-3實現(xiàn)主鏡1與傾斜校正鏡 7-1成光學(xué)共軛關(guān)系，光學(xué)組件7-2實現(xiàn)主鏡1與變形鏡7-3成光學(xué)共軛關(guān)系。從激光導(dǎo)星 來的光線依次經(jīng)過主鏡1、次鏡2、三鏡4、折轉(zhuǎn)鏡5、第一光路組件6-1、第二光路組件6-2和 第三光路組件6-3、傾斜校正鏡7-1、第一光學(xué)組件7-2、變形鏡7-3、第二光學(xué)組件7-4、第三 光學(xué)組件7-5、先由第四光學(xué)組件7-6進入波前傾斜傳感器7-8,再由第五光學(xué)組件7-7進 入波前傳感器7-9。波前處理器7-10獲得波前傾斜傳感器7-8和波前傳感器7-9的信號， 進行處理并提供控制信號給傾斜校正控制器7-11和變形鏡控制器7-12,分別實現(xiàn)對傾斜 校正鏡7-1和變形鏡7-3的閉環(huán)控制，達到對大氣引起的光波前擾動校正的目的。第二光 學(xué)組件7-4、第三光學(xué)組件7-5、第四光學(xué)組件7-6和第五光學(xué)組件7-7使變形鏡7-3和波 前傳感器7-9成光學(xué)共軛關(guān)系。高功率激光器8發(fā)射的激光依次經(jīng)過第三光學(xué)組件7-05、 第二光學(xué)組件7-4、變形鏡7-3、第一光學(xué)組件7-2、傾斜校正鏡7-1、第一光路組件6-1、第二 光路組件6-2、和第三光路組件6-3、折轉(zhuǎn)鏡5、三鏡4、次鏡2,再由主鏡1發(fā)射出去。因為傾 斜校正鏡7-1和變形鏡7-31已經(jīng)實現(xiàn)了波前校正，所以這時發(fā)射出去的激光束是經(jīng)過校正 的，到達空間碎片目標(biāo)的是不受大氣影響的理想光束。
[0017] 結(jié)合圖3說明本實施方式，圖3給出了傾斜校正鏡7-1實現(xiàn)方式，要求傾斜校正鏡 7-1與主鏡1成光學(xué)共軛關(guān)系。傾斜校正鏡7-1與主鏡1成光學(xué)共軛關(guān)系。傾斜校正鏡由 三個位移促動器111做兩維的傾斜調(diào)整。
[0018] 結(jié)合圖4說明本實施方式，圖4給出了大氣校正變形鏡組7-3的實現(xiàn)方式，要求大 氣校正變形鏡7-3與主鏡1成光學(xué)共軛關(guān)系。變形鏡7-3與主鏡1成光學(xué)共軛關(guān)系。變形 鏡面下有多個促動器112,實現(xiàn)對鏡面面形的控制。
[0019] 波前傳感器7-9與大氣校正變形鏡7-3成光學(xué)共軛關(guān)系，可以有多種實現(xiàn)方式，既 可采用常規(guī)的Shack-Hartmann傳感器，也可以采用基于能量集中度的SP⑶方法等。
[0020] 結(jié)合圖5,激光導(dǎo)星單元由導(dǎo)星激光器3-1發(fā)出的光線，依次經(jīng)過導(dǎo)星發(fā)射望遠鏡 次鏡3-3、主鏡3-2發(fā)射出去。圖中略去了常規(guī)使用的導(dǎo)星發(fā)射望遠鏡支撐和指向調(diào)節(jié)組 件、導(dǎo)星激光器相關(guān)組件等。
[0021] 本實施方式所述的由分離的多個激光發(fā)射望遠鏡系統(tǒng)組成一個陣列。本發(fā)明基于 一個望遠鏡系統(tǒng)發(fā)射一束高功率激光，每個望遠鏡自成系統(tǒng)，各自包含有自適應(yīng)光學(xué)校正 單元和激光導(dǎo)星單元。這種結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)點是不需要研制大口徑的激光發(fā)射主鏡，降低主 鏡研制成本及與其對應(yīng)的多單元數(shù)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的研制成本；且采用激光合束的形式可 以降低對單個激光器功率的要求，系統(tǒng)配置靈活，能夠根據(jù)空間碎片的特征確定所需參與 工作的望遠鏡的數(shù)量及激光功率；同時相對于拼接主鏡形式，不需要大口徑的望遠鏡跟蹤 架。
【權(quán)利要求】
1. 基于分離式多望遠鏡形式的激光合束空間碎片清除系統(tǒng)，其特征是，包括多組望遠 鏡系統(tǒng)，所述每組望遠鏡系統(tǒng)包括激光發(fā)射望遠鏡、激光導(dǎo)星單元（3)、光路中繼系統(tǒng)（6)、 自適應(yīng)光學(xué)組件（7)和高功率激光發(fā)射器（8); 所述每組望遠鏡系統(tǒng)內(nèi)的激光導(dǎo)星單元（3)發(fā)射的激光光束在空中形成激光導(dǎo)星，導(dǎo) 星光線依次經(jīng)激光發(fā)射望遠鏡以及光路中繼系統(tǒng)（6)后，進入自適應(yīng)光學(xué)組件（7)，所述自 適應(yīng)光學(xué)組件（7)測得當(dāng)前系統(tǒng)波像差，并進行校正，高功率激光發(fā)射器（8)發(fā)射的激光束 依次通過自適光學(xué)組件（7)、光路中繼系統(tǒng)（6)后，經(jīng)激光發(fā)射望遠鏡發(fā)射到空間碎片目標(biāo) 上，實現(xiàn)對空間碎片的清除。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于分離式多望遠鏡形式的激光合束空間碎片清除系統(tǒng)，其 特征在于，所述激光發(fā)射望遠鏡包括主鏡（1)和次鏡（2)、三鏡（4)、折轉(zhuǎn)鏡（5)，導(dǎo)星光線經(jīng) 主鏡（1)和次鏡（2)、三鏡（4)、折轉(zhuǎn)鏡（5)以及光路中繼系統(tǒng)（6)后，進入自適應(yīng)光學(xué)組件 (7);所述主鏡（1)為單塊式主鏡。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于分離式多望遠鏡形式的激光合束空間碎片清除系統(tǒng)，其 特征在于，所述自適應(yīng)光學(xué)組件（7)由傾斜校正鏡（7-1)、多個光學(xué)組件、變形鏡（7-3)、波 前傾斜傳感器（7-8)、波前傳感器（7-9)、波前處理器（7-10、傾斜校正控制器（7-11)和變 形鏡控制器（7-12)組成；經(jīng)激光導(dǎo)星單元（3)出射的激光光束依次經(jīng)主鏡（1)、次鏡（2)、 三鏡（4)、折轉(zhuǎn)鏡（5)、光路中繼系統(tǒng)￠)、傾斜校正鏡（7-1)第一光學(xué)組件（7-2)、變形鏡 (7-3)、第二光學(xué)組件（7-4)、第三光學(xué)組件（7-5)以及第四光學(xué)組件（7-6)進入波前傾斜傳 感器（7-8)，再經(jīng)第五光學(xué)組件（7-7)進入波前傳感器（7-9)，波前處理器（7-10)對獲得波 前傾斜傳感器（7-8)和波前傳感器（7-9)的信號進行處理并提供控制信號給傾斜校正控制 器（7-11)和變形鏡控制器（7-12)，分別實現(xiàn)對傾斜校正鏡（7-1)和變形鏡（7-3)的波前校 正。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于分離式多望遠鏡形式的激光合束空間碎片清除系統(tǒng)，其 特征在于，所述傾斜校正鏡（7-1)與主鏡（1)成光學(xué)共軛，變形鏡（7-3)與主鏡（1)成光學(xué) 共軛。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于分離式多望遠鏡形式的激光合束空間碎片清除系統(tǒng)，其 特征在于，所述傾斜校正鏡（7-1)由三個位移促動器（111)做二維的傾斜調(diào)整。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于分離式多望遠鏡形式的激光合束空間碎片清除系統(tǒng)，其 特征在于，所述的波前傳感器（7-9)與變形鏡（7-3)成光學(xué)共軛，變形鏡（7-3)由多個促動 器（112)實現(xiàn)對鏡面面形的控制。
【文檔編號】G02B23/00GK104155747SQ201410367086
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年7月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月29日
【發(fā)明者】王建立, 林旭東, 劉欣悅, 衛(wèi)沛鋒, 王亮 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所