低速自旋空間非磁化金屬碎片的加速消旋磁場的產(chǎn)生方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種低速自旋空間非磁化金屬碎片的加速消旋磁場的產(chǎn)生方法，利用在與恒定消旋磁場相正交的方向上施加變化磁場，從而在碎片導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生渦流，與在恒定磁場作用下碎片旋轉(zhuǎn)運動產(chǎn)生的渦流共同作用，以增強低速旋轉(zhuǎn)碎片內(nèi)部的渦流效應(yīng)，提高恒定磁場作用下的消旋轉(zhuǎn)矩，縮短碎片消旋時間的一種磁場設(shè)置方法。本發(fā)明方法同現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點：利用變化磁場產(chǎn)生渦流，與非磁化金屬碎片旋轉(zhuǎn)運動在磁場中產(chǎn)生的渦流疊加，產(chǎn)生消旋轉(zhuǎn)矩，提高了能量傳遞的效率，增大了消旋轉(zhuǎn)矩，減小了消旋時間。
【專利說明】
低速自旋空間非磁化金屬碎片的加速消旋磁場的產(chǎn)生方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于空間碎片清理技術(shù)領(lǐng)域，涉及對空間非磁化金屬碎片進行消旋的磁場 技術(shù)，具體涉及一種低速自旋空間非磁化金屬碎片的加速消旋磁場的產(chǎn)生方法。
【背景技術(shù)】
[0002] "空間碎片"是指位于地球軌道上或者再入大氣層的非功能性的人造物體，包括其 碎片和部件。隨著人類航天活動的日益頻繁，空間碎片的數(shù)量呈級數(shù)增長趨勢，且集中于高 度為800-1000km的區(qū)域，受空間攝動力影響，這些碎片常處于高速自旋的運動狀態(tài)。這給空 間碎片的捕捉和清理工作帶來了極大的困難。對空間碎片進行消旋是捕捉和清理的首要任 務(wù)。目前主要有接觸式消旋和非接觸式消旋?；诖艌龅目臻g碎片渦流消旋技術(shù)屬于非接 觸式消旋，該項研究尚處于起始階段，現(xiàn)有研究主要集中于恒定磁場下的消旋方法，沒有考 慮到恒定磁場與變化磁場相互配合的磁場設(shè)置方法。
[0003] 在《ACTA ASTR0NAUTICA》2012年第76卷 145-153頁刊登的 "Study on the eddy current damping of the spin dynamics of space debris from the Ariane launcher upper stages"一文(作者Praly，N.等），討論了由阿麗亞娜火箭上面級產(chǎn)生的空間碎片在 地球磁場作用下的渦流效應(yīng)，得出在地磁場作用下，空間在碎片會逐漸停止自旋的結(jié)論。從 理論上說明了恒定磁場會對空間碎片的旋轉(zhuǎn)運動起到阻尼作用。這種被動的消旋方式時間 較長，通常在半年左右。
[0004] 在《ACTA ASTR0NAUTICA》2015年第 114卷34-53頁刊登的 "Eddy currents applied to de-tumbling of space debris: Analysis and validation of approximate proposed methods" 一文（作者Gomez，Natalia Ortiz等），提出了通過線圈建立恒定磁場， 利用渦流轉(zhuǎn)矩的主動消旋技術(shù)。該方法通過主動構(gòu)建定向磁場來實現(xiàn)空間碎片的消旋，研 究了渦流轉(zhuǎn)矩的大小和消旋的時間。該技術(shù)通過單組線圈建立恒定磁場，靠碎片運動切割 磁力線產(chǎn)生渦流，生成消旋轉(zhuǎn)矩。由于渦流的大小與碎片運動速度有關(guān)，碎片運動速度越 快，渦流越大，消旋轉(zhuǎn)矩越大，當碎片旋轉(zhuǎn)的速度較慢時，消旋轉(zhuǎn)矩也會比較小，在消旋的過 程中，碎片的旋轉(zhuǎn)速度會越來越小，消旋轉(zhuǎn)矩也會變得越來越小，消旋所需時間較長。
[0005] 2013年申請的國家發(fā)明專利《一種清除空間碎片的方法和裝置》，專利申請公布號 CN103434658A，發(fā)明人:李怡勇等，提出了通過電場力、磁場力或電磁場力相結(jié)合，改變空間 碎片的運動速度和運動方向，使碎片偏離固定軌道的一種清除空間碎片的方法。該技術(shù)未 談及碎片的旋轉(zhuǎn)運動及消旋問題。
[0006] 現(xiàn)有技術(shù)分析了渦流轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生機理和實現(xiàn)方法，所采用的磁場均為恒定磁場，僅 依靠碎片自身的旋轉(zhuǎn)運動產(chǎn)生的渦流轉(zhuǎn)矩進行消旋。由于渦流的大小與碎片運動速度有 關(guān)，碎片運動速度越快，渦流越大，消旋轉(zhuǎn)矩越大；當碎片旋轉(zhuǎn)的速度較慢時，消旋轉(zhuǎn)矩也會 比較小。在消旋的過程中，碎片的旋轉(zhuǎn)速度會越來越小，消旋轉(zhuǎn)矩也會變得越來越小，消旋 所需時間則會更長。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 要解決的技術(shù)問題
[0008] 為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種低速自旋空間非磁化金屬碎片的 加速消旋磁場的產(chǎn)生方法，利用變化磁場在非磁化金屬碎片上產(chǎn)生渦流，與碎片運動在磁 場中產(chǎn)生的渦流共同作用，形成渦流轉(zhuǎn)矩的變化磁場，增強渦流轉(zhuǎn)矩，加速消旋過程，提高 消旋效率。
[0009] 技術(shù)方案
[0010] -種低速自旋空間非磁化金屬碎片的加速消旋磁場的產(chǎn)生方法，其特征在于:在 恒定磁場的正交方向施加一個交變磁場，在碎片導(dǎo)體內(nèi)部共同產(chǎn)生渦流，增強渦流轉(zhuǎn)矩，加 速消旋過程，具體步驟如下：
[0011] 步驟1:在與非磁化金屬碎片的旋轉(zhuǎn)主軸垂直的平面內(nèi)，以碎片主軸通過點為原 點，選擇兩個任意相互垂直的方向為X軸和y軸，在兩個軸向方向施加磁場Μ和磁場N;磁場Μ 的正方向為y軸負方向，磁場Ν的正方向的為X軸正方向；
[0012] 步驟2:確定產(chǎn)生消旋轉(zhuǎn)矩的條件：
[0013] 1、當磁場Μ為具有恒定的磁場強度Hi時，磁場N為變化的磁場強度H2:
[0014] 情況1:當碎片逆時針旋轉(zhuǎn)時：
[0015] 若磁場贈|[定的磁場強度Hi>0，磁場N施加變化的磁場強度H2沿X軸正方向減小，為 (U-, n ---< 0 ; Dt
[001 ?] 若磁場Μ恒定的的磁場強度Hi <0，磁場N施加變化的磁場強度H2沿X軸正方向增加， (?! 為 ot
[0017]情況2:當碎片順時針旋轉(zhuǎn)時：
[0018] 若磁場Μ恒定的磁場強度Hi >0,磁場N施加變化的磁場強度H2沿X軸正方向增加，為 ΓΙΙ, --> 0 ; dt
[0019] 若磁場Μ恒定的磁場強度Hi<0,磁場N施加變化的磁場強度H2沿X軸正方向減小，為 Π?-, r --< 0 ; dt
[0020] 2、磁場Μ具有變化的磁場強度Hi，磁場N具有恒定的磁場強度H2;
[0021]情況1:當碎片逆時針旋轉(zhuǎn)時：
[0022]若磁場N恒定的磁場強度H2>0,磁場Μ施加變化的磁場強度Hi沿y軸負方向增加，為 i^>n; dt
[0023] 若磁場N恒定的磁場強度H2<0,磁場Μ施加變化的磁場強度Hi沿y軸負方向減小，為 Γ//. ---<0 ; m
[0024]情況2:當碎片順時針旋轉(zhuǎn)時：
[0025] 若磁場N恒定的磁場強度H2>0,磁場Μ施加變化的磁場強度Hi沿y軸負方向減小，為 dt
[0026]若磁場N恒定的磁場強度H2<0,磁場M施加變化的磁場強度Hi沿y軸負方向增加，為 %池 dt
[0027]所述施加的交變磁場為方波、三角波、鋸齒波或梯形波。
[0028] 有益效果
[0029] 本發(fā)明提出的一種低速自旋空間非磁化金屬碎片的加速消旋磁場的產(chǎn)生方法，利 用在與恒定消旋磁場相正交的方向上施加變化磁場，從而在碎片導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生渦流，與在 恒定磁場作用下碎片旋轉(zhuǎn)運動產(chǎn)生的渦流共同作用，以增強低速旋轉(zhuǎn)碎片內(nèi)部的渦流效 應(yīng)，提高恒定磁場作用下的消旋轉(zhuǎn)矩，縮短碎片消旋時間的一種磁場設(shè)置方法。
[0030] 本發(fā)明方法同現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點：利用變化磁場產(chǎn)生渦流，與非磁化金 屬碎片旋轉(zhuǎn)運動在磁場中產(chǎn)生的渦流疊加，產(chǎn)生消旋轉(zhuǎn)矩，提高了能量傳遞的效率，增大了 消旋轉(zhuǎn)矩，減小了消旋時間。
【附圖說明】
[0031] 圖1:磁場作用方式示意圖
[0032] 圖2 :M為恒定磁場，N為變化磁場時感應(yīng)電流示意圖
[0033] 圖3 :M為恒定磁場，N為變化磁場時磁場設(shè)置示意圖
[0034] 圖4:N為恒定磁場，Μ為變化磁場時感應(yīng)電流示意圖
[0035] 圖5 :Ν為恒定磁場，Μ為變化磁場時磁場設(shè)置示意圖 [0036]圖6:交替作用時磁場設(shè)置不意圖
【具體實施方式】
[0037]現(xiàn)結(jié)合實施例、附圖對本發(fā)明作進一步描述：
[0038]本發(fā)明是一種利用變化磁場在非磁化金屬碎片上產(chǎn)生渦流，與碎片運動在磁場中 產(chǎn)生的渦流共同作用，形成渦流轉(zhuǎn)矩的變化磁場技術(shù)，其技術(shù)特征在于它含有以下內(nèi)容： [0039] (1)磁場的作用形式
[0040] 在與非磁化金屬碎片的旋轉(zhuǎn)主軸垂直的平面內(nèi)，任意選擇兩個相互垂直的方向， 以碎片主軸通過點為原點，兩個垂直方向分別記為X軸和y軸。分別在兩個軸向方向施加磁 場Μ和磁場N。為討論方便，規(guī)定碎片旋轉(zhuǎn)方向為逆時針時為正，磁場Μ的正方向為y軸負方 向，磁場N的正方向的為X軸正方向；
[0041] (2)當磁場Μ具有恒定的磁場強度Hi，磁場N具有變化的磁場強度出時，產(chǎn)生消旋轉(zhuǎn) 矩的條件
[0042]碎片逆時針旋轉(zhuǎn)時，當磁場Μ具有恒定的磁場強度Hi且沿y軸負方向時，記為出>0， 此時產(chǎn)生的渦流方向為X軸上側(cè)導(dǎo)體中電流流出紙面，X軸下側(cè)導(dǎo)體中電流流入紙面。此時 渦流轉(zhuǎn)矩的方向與轉(zhuǎn)速相反，屬于消旋轉(zhuǎn)矩。為產(chǎn)生同樣方向的消旋轉(zhuǎn)矩，要求在X軸方向 的磁場N在導(dǎo)體中感應(yīng)出來的渦流方向應(yīng)該與磁場Μ單獨作用時的渦流方向相同，即感應(yīng)磁 場的方向應(yīng)該沿著X軸正方向，根據(jù)楞次定律，感應(yīng)電流的磁場要阻礙原磁通的變化。此時， 消旋轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的條件是：磁場N的磁場強度Hdftx軸正方向是減小的，記為％_<u。同理，當 Ot 出<0時，消旋轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的條件是:磁場N的磁場強度Hdftx軸正方向是增加的，記為^>0。 ??
[0043]碎片順時針旋轉(zhuǎn)時，與之類似。這里僅給出結(jié)論。即消旋轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的條件是：當出 ：>?Ι <0時，磁場~的磁場強度!12沿1軸正方向是減小的，記為_(-「」_<()。當111>0時，磁場?^的磁場強 at 度H2沿X軸正方向是增加的，記為$ > 〇。 ct
[0044 ] (3)磁場Μ具有變化的磁場強度Hi，磁場N具有恒定的磁場強度H2，產(chǎn)生消旋轉(zhuǎn)矩的 條件
[0045] 碎片逆時針旋轉(zhuǎn)時，當磁場N具有恒定的磁場強度H2且沿X軸正方向時，即H2>0時， 此時產(chǎn)生的渦流方向為y軸左側(cè)導(dǎo)體中電流流出紙面，y軸右側(cè)導(dǎo)體中電流流入紙面。此時 渦流轉(zhuǎn)矩的方向與轉(zhuǎn)速相反，屬于消旋轉(zhuǎn)矩。為產(chǎn)生同樣方向的消旋轉(zhuǎn)矩，要求在y軸方向 的磁場，在導(dǎo)體中感應(yīng)出來的渦流方向應(yīng)該與N磁場單獨作用時的渦流方向相同，即感應(yīng)磁 場的方向應(yīng)該沿著y軸正方向，根據(jù)楞次定律，感應(yīng)電流的磁場要阻礙原磁通的變化。此時， 消旋轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的條件是:磁場Μ的磁場強度出沿7軸負方向是增加的，記為$>〇。同理，當 H2<0時，消旋轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的條件是:磁場Μ的磁場強度出沿7軸負方向是減小的，記為$ < (?。 Ot
[0046] 碎片順時針旋轉(zhuǎn)時，與之類似。所以消旋轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的條件是：當H2<0時，磁場Μ的 磁場強度Hi沿y軸負方向是增加的，記為^·>_〇。當Η2>0時，磁場Μ的磁場強度Hi沿y軸負方 ot P\f f 向是減小的，記為 Ot
[0047] 本實施例是關(guān)于產(chǎn)生消旋轉(zhuǎn)矩的磁場條件，碎片的結(jié)構(gòu)形式對磁場條件不構(gòu)成影 響，為方便起見，選取碎片形狀為空心圓柱體，旋轉(zhuǎn)主軸位于圓柱體中心線，按逆時針方向 旋轉(zhuǎn)。選取垂直于圓柱體的截面建立如圖1的所示的直角坐標系，原點即為剖面圓的圓心， 取任意兩個垂直方向建立X軸和y軸，沿X軸方向和y軸方向分別施加 Μ和N磁場，磁場強度分 別為出和出，圖示方向為正方向。
[0048]如圖2所示，碎片逆時針旋轉(zhuǎn)時，當磁場Μ具有恒定的磁場強度出且沿y軸負方向 時，記為出>0,此時產(chǎn)生的渦流方向為X軸上側(cè)導(dǎo)體中電流流出紙面，X軸下側(cè)導(dǎo)體中電流 流入紙面。此時渦流轉(zhuǎn)矩的方向與轉(zhuǎn)速相反，屬于消旋轉(zhuǎn)矩。為產(chǎn)生同樣方向的消旋轉(zhuǎn)矩， 要求在X軸方向的磁場N在導(dǎo)體中感應(yīng)出來的渦流方向應(yīng)該與磁場Μ單獨作用時的渦流方向 相同，即感應(yīng)磁場的方向應(yīng)該沿著X軸正方向，根據(jù)楞次定律，感應(yīng)電流的磁場要阻礙原磁 通的變化。此時，消旋轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的條件是：磁場Ν的磁場強度Hdftx軸正方向是減小的，記為 d < 0。伺理，當Hl<0時，消旋轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的條件是:磁場Ν的磁場強度Hdftx軸正方向是增加 (? 的，記為^ 。 ??
[0049]此時，滿足產(chǎn)生消旋轉(zhuǎn)矩的磁場設(shè)置條件的Μ和Ν磁場可以設(shè)置成圖3所示，但不局 限于圖3所示的類型。從圖3中可以看出，在Ο-tl段，Μ磁場磁場強度出為正，Ν磁場磁場強度Η2 的變化率$<〇,在tl-t2段，Μ磁場磁場強度H2為負，N磁場的變化率^>0。下一個周期重 dt oi 復(fù)上述過程，此時所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與碎片的運動方向相反，為消旋轉(zhuǎn)矩。
[0050] 如圖4所示，當磁場N具有恒定的磁場強度H2且沿X軸正方向時，即H2>0時，此時產(chǎn) 生的渦流方向為y軸左側(cè)導(dǎo)體中電流流出紙面，y軸右側(cè)導(dǎo)體中電流流入紙面。此時渦流轉(zhuǎn) 矩的方向與轉(zhuǎn)速相反，屬于消旋轉(zhuǎn)矩。為產(chǎn)生同樣方向的消旋轉(zhuǎn)矩，要求在y軸方向的磁場， 在導(dǎo)體中感應(yīng)出來的渦流方向應(yīng)該與N磁場單獨作用時的渦流方向相同，即感應(yīng)磁場的方 向應(yīng)該沿著y軸正方向，根據(jù)楞次定律，感應(yīng)電流的磁場要阻礙原磁通的變化。此時，消旋轉(zhuǎn) 矩產(chǎn)生的條件是:磁場Μ的磁場強度出沿7軸負方向是增加的，記為$>〇。同理，當H2<0時， at 消旋轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的條件是:磁場Μ的磁場強度出沿7軸負方向是減小的，記為$< (K Ο?
[0051] 此時，滿足產(chǎn)生消旋轉(zhuǎn)矩的磁場設(shè)置條件的Μ和Ν磁場可以設(shè)置成圖3所示，但不局 限于圖3所示的類型。從圖3中可以看出，在Ο-tl段，Ν磁場磁場強度Η 2為正，Μ磁場磁場強度出 的變化率$>〇,在tl-t2段，N磁場磁場強度H2為負，Μ磁場的磁場強度出變化率^<0。下 Ot ?? 一個周期重復(fù)上述過程，此時所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與碎片的運動方向相反，為消旋轉(zhuǎn)矩。
[0052] 綜合以上兩種情況，同時考慮到恒定磁場由正向變到負向要有一個變化過程，可 以將兩種磁場設(shè)置成圖4方式。但不局限于圖中所示方式。如圖所示，在Ο-tl段，Μ為恒定磁 場，且ΗΟΟ,Ν為變化磁場，且在tl-t2段，Ν為恒定磁場，且為變化磁場，且 at $<0;在t2-t3段，Μ為恒定磁場，且ΗΚ0，Ν為變化磁場，且$>0;在t3-t4段，N為恒定磁 §t St 場，且Η2>0，Μ為變化磁場，且#>();下一周期重復(fù)上述過程。此時，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩方向與碎片 〇{ 旋轉(zhuǎn)方向相反，為消旋轉(zhuǎn)矩。
[0053]對于碎片按照順時針旋轉(zhuǎn)的情況，技術(shù)方案中已給出詳細的條件，這里不再舉例 說明。
【主權(quán)項】
1. 一種低速自旋空間非磁化金屬碎片的加速消旋磁場的產(chǎn)生方法，其特征在于:在恒 定磁場的正交方向施加一個交變磁場，在碎片導(dǎo)體內(nèi)部共同產(chǎn)生渦流，增強渦流轉(zhuǎn)矩，加速 消旋過程，具體步驟如下： 步驟1:在與非磁化金屬碎片的旋轉(zhuǎn)主軸垂直的平面內(nèi)，以碎片主軸通過點為原點，選 擇兩個任意相互垂直的方向為X軸和y軸，在兩個軸向方向施加磁場Μ和磁場N;磁場Μ的正方 向為y軸負方向，磁場Ν的正方向的為X軸正方向； 步驟2:確定產(chǎn)生消旋轉(zhuǎn)矩的條件： (1 )、當磁場Μ為具有恒定的磁場強度Hi時，磁場N為變化的磁場強度H2: 情況1:當碎片逆時針旋轉(zhuǎn)時： 若磁場Μ恒定的磁場強度Hi>0，磁場N施加變化的磁場強度H2沿X軸正方向減小，為 (?Ι-, π -^ < 0 ; @t： 若磁場Μ恒定的的磁場強度Η1 < 0，磁場N施加變化的磁場強度Η 2沿X軸正方向增加，為 Γ//-, η et 情況2:當碎片順時針旋轉(zhuǎn)時： 若磁場Μ恒定的磁場強度Hi>0，磁場N施加變化的磁場強度H2沿X軸正方向增加，為 Π?-, ----> 0 ; dt： 若磁場Μ恒定的磁場強度Hi<0，磁場N施加變化的磁場強度H2沿χ軸正方向減小，為 ---< 0 · dt (2)、磁場Μ具有變化的磁場強度Hi，磁場N具有恒定的磁場強度H2; 情況1:當碎片逆時針旋轉(zhuǎn)時： 若磁場N恒定的磁場強度H2>0，磁場Μ施加變化的磁場強度Hi沿y軸負方向增加，為 dt 若磁場N恒定的磁場強度H2<0，磁場Μ施加變化的磁場強度Hi沿y軸負方向減小，為 dH, -L < 0 ; dt 情況2:當碎片順時針旋轉(zhuǎn)時： 若磁場N恒定的磁場強度H2>0，磁場Μ施加變化的磁場強度Hi沿y軸負方向減小，為 (??, ----< 0 ; dt 若磁場N恒定的磁場強度H2<0，磁場Μ施加變化的磁場強度Hi沿y軸負方向增加，為 &>〇。 dt2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的低速自旋空間非磁化金屬碎片的加速消旋磁場的產(chǎn)生方法， 其特征在于:所述施加的交變磁場為方波、三角波、鋸齒波或梯形波。
【文檔編號】H01F7/02GK105857647SQ201610177608
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年3月25日
【發(fā)明人】駱光照, 徐永強, 孫楚昕, 宋受俊, 岳曉奎
【申請人】西北工業(yè)大學(xué)