本發(fā)明屬于空間碎片清理技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種對(duì)空間非磁化金屬碎片消旋的交變磁場(chǎng)的方法。

背景技術(shù)：
“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(dòng)的日益頻繁，空間碎片的數(shù)量呈級(jí)數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，且集中于高度為800-1000km的區(qū)域，受空間攝動(dòng)力影響，這些碎片常處于高速自旋的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。這給空間碎片的捕捉和清理工作帶來(lái)了極大的困難。對(duì)空間碎片進(jìn)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?chǎng)的空間碎片渦流消旋技術(shù)屬于非接觸式消旋，該項(xiàng)研究尚處于起始階段，現(xiàn)有研究主要集中于恒定磁場(chǎng)下的消旋方法，沒(méi)有考慮到交變磁場(chǎng)的設(shè)置方法。在《ACTAASTRONAUTICA》2012年第76卷145-153頁(yè)刊登的“StudyontheeddycurrentdampingofthespindynamicsofspacedebrisfromtheArianelauncherupperstages”一文(作者Praly,N.等)，討論了由阿麗亞娜火箭上面級(jí)產(chǎn)生的空間碎片在地球磁場(chǎng)作用下的渦流效應(yīng)，得出在地磁場(chǎng)作用下，空間在碎片會(huì)逐漸停止自旋的結(jié)論。從理論上說(shuō)明了恒定磁場(chǎng)會(huì)對(duì)空間碎片的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)起到阻尼作用。這種被動(dòng)的消旋方式時(shí)間較長(zhǎng)，通常在半年左右。在《ACTAASTRONAUTICA》2015年第114卷34-53頁(yè)刊登的“Eddycurrentsappliedtode-tumblingofspacedebris:Analysisandvalidationofapproximateproposedmethods”一文(作者Gomez,NataliaOrtiz等)，提出了通過(guò)線圈建立恒定磁場(chǎng)，利用渦流轉(zhuǎn)矩的主動(dòng)消旋技術(shù)。該方法通過(guò)主動(dòng)構(gòu)建定向磁場(chǎng)來(lái)實(shí)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(shí)間。該技術(shù)僅依靠單組線圈建立恒定磁場(chǎng)，靠碎片運(yùn)動(dòng)切割磁力線產(chǎn)生渦流，生成消旋轉(zhuǎn)矩。由于產(chǎn)生渦流轉(zhuǎn)矩的方式單一，能量傳遞的效率比較低，消旋的時(shí)間通常較長(zhǎng)。2013年申請(qǐng)的國(guó)家發(fā)明專利《一種清除空間碎片的方法和裝置》，專利申請(qǐng)公布號(hào)CN103434658A，發(fā)明人：李怡勇等，提出了通過(guò)電場(chǎng)力、磁場(chǎng)力或電磁場(chǎng)力相結(jié)合，改變空間碎片的運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)及消旋問(wèn)題?，F(xiàn)有技術(shù)分析了渦流轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生機(jī)理和實(shí)現(xiàn)方法，所采用的磁場(chǎng)均為恒定磁場(chǎng)，僅依靠碎片自身的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生渦流轉(zhuǎn)矩。根據(jù)麥克斯韋電磁理論，此時(shí)渦流轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的實(shí)質(zhì)是由于碎片運(yùn)動(dòng)使通過(guò)金屬碎片內(nèi)部的磁通發(fā)生變化，變化的磁通產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流在磁場(chǎng)的作用下形成轉(zhuǎn)矩。而磁通的變化有兩種形式，一種是運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體切割磁力線產(chǎn)生的，另一種是外界的磁場(chǎng)發(fā)生變化導(dǎo)致的。現(xiàn)有技術(shù)僅利用第一種情況產(chǎn)生消旋的渦流轉(zhuǎn)矩，而沒(méi)有考慮到第二種情況，能量傳遞的效率比較低，消旋的時(shí)間比較長(zhǎng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
要解決的技術(shù)問(wèn)題為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種對(duì)空間非磁化金屬碎片消旋的交變磁場(chǎng)的方法，利用交變磁場(chǎng)與碎片在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)共同作用，形成渦流轉(zhuǎn)矩的方法，通過(guò)分析轉(zhuǎn)矩的性質(zhì)，提出產(chǎn)生消旋轉(zhuǎn)矩的磁場(chǎng)條件，提高了金屬非磁化碎片的消旋作用效果。技術(shù)方案一種對(duì)空間非磁化金屬碎片消旋的交變磁場(chǎng)的方法，其特征在于：利用兩個(gè)在空間上正交的交變磁場(chǎng)與在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的非磁化金屬碎片相互作用，滿足條件的兩個(gè)交變磁場(chǎng)在非磁化金屬碎片內(nèi)部感應(yīng)出渦流并產(chǎn)生消旋轉(zhuǎn)矩，消旋步驟如下：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)，以碎片旋轉(zhuǎn)主軸通過(guò)點(diǎn)為原點(diǎn)，選擇任意兩個(gè)相互垂直的方向?yàn)閤軸和y軸，在兩個(gè)軸向方向施加磁場(chǎng)M和磁場(chǎng)N；磁場(chǎng)M的正方向?yàn)閥軸負(fù)方向，磁場(chǎng)N的正方向的為x軸正方向；步驟2：確定消旋轉(zhuǎn)矩的條件：磁場(chǎng)M具有變化的磁場(chǎng)強(qiáng)度H1，磁場(chǎng)N具有變化的磁場(chǎng)強(qiáng)度H2；情況1：當(dāng)碎片逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)：當(dāng)磁場(chǎng)M的磁場(chǎng)強(qiáng)度H1沿y軸負(fù)方向增加，為且磁場(chǎng)N的磁場(chǎng)強(qiáng)度H2＞0時(shí)，可產(chǎn)生消旋轉(zhuǎn)矩；當(dāng)磁場(chǎng)M的磁場(chǎng)強(qiáng)度H1沿y軸負(fù)方向減小，為且磁場(chǎng)N的磁場(chǎng)強(qiáng)度H2＜0時(shí)，可產(chǎn)生消旋轉(zhuǎn)矩；當(dāng)磁場(chǎng)N的磁場(chǎng)強(qiáng)度H2沿x軸正方向減小，為且磁場(chǎng)M的磁場(chǎng)強(qiáng)度H1＞0時(shí)，可產(chǎn)生消旋轉(zhuǎn)矩；當(dāng)磁場(chǎng)N的磁場(chǎng)強(qiáng)度H2沿x軸正方向增加，為且磁場(chǎng)M的磁場(chǎng)強(qiáng)度H1＜0時(shí)，可產(chǎn)生消旋轉(zhuǎn)矩；情況2：當(dāng)碎片順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)：當(dāng)磁場(chǎng)M的磁場(chǎng)強(qiáng)度H1沿y軸負(fù)方向減小，為且磁場(chǎng)N的磁場(chǎng)強(qiáng)度H2＞0時(shí)，可產(chǎn)生消旋轉(zhuǎn)矩；當(dāng)磁場(chǎng)M的磁場(chǎng)強(qiáng)度H1沿y軸負(fù)方向增加，為且磁場(chǎng)N的磁場(chǎng)強(qiáng)度H2＜0時(shí)，可產(chǎn)生消旋轉(zhuǎn)矩；當(dāng)磁場(chǎng)N的磁場(chǎng)強(qiáng)度H2沿x軸正方向增加，為且磁場(chǎng)M的磁場(chǎng)強(qiáng)度H1＞0時(shí)，可產(chǎn)生消旋轉(zhuǎn)矩；當(dāng)磁場(chǎng)N的磁場(chǎng)強(qiáng)度H2沿x軸正方向減小，為且磁場(chǎng)M的磁場(chǎng)強(qiáng)度H1＜0時(shí)，可產(chǎn)生消旋轉(zhuǎn)矩。有益效果本發(fā)明提出的一種對(duì)空間非磁化金屬碎片消旋的交變磁場(chǎng)的方法，是一種在旋轉(zhuǎn)的非磁化金屬碎片外垂直于旋轉(zhuǎn)軸的平面上設(shè)置空間上相互正交的交變磁場(chǎng)，利用在金屬導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生的渦流效應(yīng)，與外部相關(guān)磁場(chǎng)作用而形成消旋轉(zhuǎn)矩的磁場(chǎng)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(diǎn)：在分析渦流轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生實(shí)質(zhì)的基礎(chǔ)上，改進(jìn)了渦流轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的方式，使其由運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體切割磁力線的單一方式轉(zhuǎn)變?yōu)檫\(yùn)動(dòng)導(dǎo)體與變化的磁場(chǎng)共同作用產(chǎn)生渦流轉(zhuǎn)矩的復(fù)合方式，提出了消旋轉(zhuǎn)矩的磁場(chǎng)設(shè)置條件，提高了能量傳遞的效率。附圖說(shuō)明圖1：磁場(chǎng)作用方式示意圖圖2：M沿y軸負(fù)方向時(shí)，為產(chǎn)生消旋轉(zhuǎn)矩，對(duì)渦流方向的要求圖3N沿x軸正方向時(shí)，為產(chǎn)生消旋轉(zhuǎn)矩，對(duì)渦流方向的要求圖4：三角波形式的交變磁場(chǎng)設(shè)置示意圖圖5：正弦波形式的交變磁場(chǎng)設(shè)置示意圖具體實(shí)施方式現(xiàn)結(jié)合實(shí)施例、附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述：本發(fā)明提出了一種利用正交交變磁場(chǎng)與碎片在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)共同作用，形成消旋轉(zhuǎn)矩的方法，其技術(shù)特征在于它含有以下內(nèi)容：(1)磁場(chǎng)的作用形式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(gè)相互垂直的方向，以碎片主軸通過(guò)點(diǎn)為原點(diǎn)，兩個(gè)垂直方向分別記為x軸和y軸。分別在兩個(gè)軸向方向施加磁場(chǎng)N和磁場(chǎng)M。為討論方便，規(guī)定碎片旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針時(shí)為正，磁場(chǎng)M的正方向?yàn)閥軸負(fù)方向，磁場(chǎng)N的正方向的為x軸正方向；(2)產(chǎn)生消旋轉(zhuǎn)矩的磁場(chǎng)設(shè)置條件為了使金屬碎片旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的速度降低，必須保證產(chǎn)生的渦流轉(zhuǎn)矩方向與碎片的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方向相反。在施加變化的磁場(chǎng)時(shí)，必須使得M和N兩個(gè)正交磁場(chǎng)相互配合，使產(chǎn)生的渦流轉(zhuǎn)矩方向?yàn)橄D(zhuǎn)矩。碎片的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方向、磁場(chǎng)M和N的磁場(chǎng)強(qiáng)度方向及其變化率均會(huì)對(duì)渦流轉(zhuǎn)矩的方向產(chǎn)生影響，現(xiàn)分析如下：由于正交方向力矩的作用效果是解耦的，我們可以對(duì)正交方向的兩個(gè)磁場(chǎng)作用效果分別加以分析。碎片逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，在磁場(chǎng)M的磁場(chǎng)強(qiáng)度H1＞0時(shí)，僅當(dāng)碎片內(nèi)感應(yīng)產(chǎn)生渦流的方向?yàn)閤軸上側(cè)導(dǎo)體中電流流出紙面，x軸下側(cè)導(dǎo)體中電流流入紙面時(shí)，產(chǎn)生的渦流轉(zhuǎn)矩才為消旋轉(zhuǎn)矩。通過(guò)分析，可以發(fā)現(xiàn)碎片運(yùn)動(dòng)時(shí)切割M磁場(chǎng)磁力線所產(chǎn)生的渦流滿足上述要求。當(dāng)N磁場(chǎng)磁場(chǎng)強(qiáng)度H2隨時(shí)間的變化沿x軸正方向減小(記為)時(shí)，產(chǎn)生的渦流能夠滿足上述要求。在磁場(chǎng)M的磁場(chǎng)強(qiáng)度H1＜0時(shí)，僅當(dāng)碎片內(nèi)感應(yīng)產(chǎn)生渦流的方向?yàn)閤軸上側(cè)導(dǎo)體中電流流入紙面，x軸下側(cè)導(dǎo)體中電流流出紙面時(shí)，產(chǎn)生的渦流轉(zhuǎn)矩才為消旋轉(zhuǎn)矩。通過(guò)分析，可以發(fā)現(xiàn)碎片運(yùn)動(dòng)時(shí)切割M磁力線所產(chǎn)生的渦流滿足要求。當(dāng)N磁場(chǎng)磁場(chǎng)強(qiáng)度H2隨時(shí)間的變化沿x軸正方向增大(記為)時(shí)，產(chǎn)生的渦流能夠滿足要求。同理，我們可以分析出正交方向上產(chǎn)生消旋轉(zhuǎn)矩的條件為：H2>0時(shí)，磁場(chǎng)M的磁場(chǎng)強(qiáng)度H1沿y軸負(fù)方向增加(記為)；H2<0時(shí)，磁場(chǎng)M的磁場(chǎng)強(qiáng)度H1沿y軸負(fù)方向減小(記為)。同理可知，當(dāng)碎片旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針時(shí)，消旋轉(zhuǎn)矩的條件為：H1＜0，H1＞0，H2＜0，H2＞0，本實(shí)施例討論產(chǎn)生消旋轉(zhuǎn)矩的磁場(chǎng)條件，碎片的結(jié)構(gòu)形式對(duì)磁場(chǎng)設(shè)置條件不構(gòu)成影響，為方便起見(jiàn)，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(shí)針?lè)较蛐D(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(biāo)系，原點(diǎn)即為剖面圓的圓心，取任意兩個(gè)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N和M磁場(chǎng)，圖1示方向?yàn)檎较?。碎片逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，當(dāng)磁場(chǎng)M磁場(chǎng)強(qiáng)度H1沿y軸負(fù)方向時(shí)，記為H1＞0，，為使產(chǎn)生的渦流轉(zhuǎn)矩與運(yùn)動(dòng)方向相反，渦流的方向應(yīng)如如圖2所示，即渦流方向?yàn)閤軸上側(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。通過(guò)右手定則，可知此時(shí)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體切割M磁場(chǎng)磁力線，產(chǎn)生的渦流與上述要求相同。根據(jù)楞次定律，當(dāng)N磁場(chǎng)磁場(chǎng)強(qiáng)度H2隨時(shí)間沿x軸正方向減小(記為)時(shí)，產(chǎn)生的渦流符合上述要求。當(dāng)磁場(chǎng)M磁場(chǎng)強(qiáng)度H1沿y軸正方向的磁場(chǎng)時(shí)，記為H1＜0，為使產(chǎn)生的渦流轉(zhuǎn)矩與運(yùn)動(dòng)方向相反，此時(shí)渦流的方向應(yīng)為x軸上側(cè)導(dǎo)體中電流流入紙面，x軸下側(cè)導(dǎo)體中電流流出紙面時(shí)，產(chǎn)生的渦流轉(zhuǎn)矩才為消旋轉(zhuǎn)矩。通過(guò)分析，可以發(fā)現(xiàn)碎片運(yùn)動(dòng)時(shí)切割M磁場(chǎng)所產(chǎn)生的渦流滿足上述要求。當(dāng)N磁場(chǎng)磁場(chǎng)強(qiáng)度H2隨時(shí)間沿x軸正方向增大(記為)時(shí)，產(chǎn)生的渦流能夠滿足上述要求。在正交方向上，當(dāng)N磁場(chǎng)磁場(chǎng)強(qiáng)度H2方向?yàn)檠豿軸正方向的磁場(chǎng)時(shí)，記為H2＞0，為使產(chǎn)生的渦流轉(zhuǎn)矩與運(yùn)動(dòng)方向相反，渦流的方向應(yīng)如如圖3所示，即渦流方向?yàn)閥軸左側(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。通過(guò)右手定則，可知此時(shí)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體切割N磁場(chǎng)，產(chǎn)生的渦流與上述要求相同。根據(jù)楞次定律，當(dāng)M磁場(chǎng)磁場(chǎng)強(qiáng)度H1隨時(shí)間沿y軸負(fù)方向增加(記為)時(shí)，產(chǎn)生的渦流符合上述要求。當(dāng)N磁場(chǎng)磁場(chǎng)強(qiáng)度H2方向?yàn)檠豿軸負(fù)方向的磁場(chǎng)時(shí)，記為H2＜0，為使產(chǎn)生的渦流轉(zhuǎn)矩與運(yùn)動(dòng)方向相反，此時(shí)渦流的方向應(yīng)為y軸左側(cè)導(dǎo)體中電流流入紙面，y軸右側(cè)導(dǎo)體中電流流出紙面。通過(guò)分析，可以發(fā)現(xiàn)碎片運(yùn)動(dòng)時(shí)切割N磁場(chǎng)所產(chǎn)生的渦流滿足上述要求。當(dāng)M磁場(chǎng)磁場(chǎng)強(qiáng)度H1沿y軸負(fù)方向減小(記為)時(shí)，產(chǎn)生的渦流能夠滿足上述要求。綜上所述，在碎片按照逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)時(shí)，為產(chǎn)生消旋轉(zhuǎn)矩，磁場(chǎng)設(shè)置的一般規(guī)律可以用表1表示。表1產(chǎn)生消旋轉(zhuǎn)矩磁場(chǎng)設(shè)置的一般規(guī)律表中：――表示無(wú)關(guān)項(xiàng)，√表示可以產(chǎn)生消旋轉(zhuǎn)矩，×表示不可以產(chǎn)生消旋轉(zhuǎn)矩根據(jù)表中設(shè)置的一般規(guī)律，結(jié)合磁場(chǎng)發(fā)生裝置實(shí)現(xiàn)的難易程度，這里給出兩種磁場(chǎng)設(shè)置的方法，一種是三角波形式，如圖4所示；一種是正弦波形式，如圖5所示。只要符合上述規(guī)則，就可以產(chǎn)生消旋轉(zhuǎn)矩，圖中所示方式僅為示例，實(shí)際磁場(chǎng)的設(shè)置不局限于上述方式。對(duì)于碎片按照順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的情況，技術(shù)方案中已給出詳細(xì)的條件，這里不再舉例說(shuō)明。