基於分離式多望遠鏡形式的雷射合束空間碎片清除系統的製作方法

2023-06-03 10:56:01 1

基於分離式多望遠鏡形式的雷射合束空間碎片清除系統的製作方法
【專利摘要】基於分離式多望遠鏡形式的雷射合束空間碎片清除系統，涉及空間【技術領域】，解決現有地面高能雷射發射系統對空間碎片過程中存在光路中元件受熱變形等問題，本系統從地面發射多束高功率雷射到空間碎片上，多光束能量的疊加實現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，系統中採用了自適應光學技術對光學元件熱變形和大氣引起的擾動進行校正；同時，系統使用雷射導星技術，提高了對暗弱空間目標的作用能力。該空間碎片清除系統是在地球表面上實現對空間碎片清除的一種方式，系統應用能量疊加的原理，採用多束雷射發射，能夠實現對不同軌道高度的空間碎片進行處理，各關鍵單元技術實現難度降低，維護方便，成本也相應減少。
【專利說明】基於分離式多望遠鏡形式的雷射合束空間碎片清除系統

【技術領域】
[0001] 本發明涉及空間【技術領域】，具體涉及空間碎片的清除技術。

【背景技術】
[0002] 空間碎片是指圍繞地心軌道運行的人造物體，一般已經沒有利用價值。它是人類 進行空間活動的產物，包括停止運行的太空飛行器（如衛星、空間站、太空梭等）、用於發射衛 星的火箭殘留物、多級火箭分離所產生的碎片、空間物體之間碰撞產生的碎片等。隨著人類 空間活動的進行，空間碎片的數量呈現不斷增長的趨勢，其潛在的碰撞風險嚴重威脅著航 天器的安全在軌運行。
[0003] 對空間碎片的研究重點在於監視與清除。對空間碎片進行監視，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。雖然對於一些規律運行的空間碎片，太空飛行器可 以根據其運行軌道採取主動規避措施避免碰撞，但是對新產生的碎片或是較小的碎片，主 動規避措施就將會失效。所以為了確保太空飛行器的安全運行，有必要採取主動清除手段對空 間碎片進行處理。
[0004] 從地面上發射高能雷射束到空間碎片，利用雷射對空間碎片材料的燒蝕作用，實 現對空間碎片去除是一種可行的方案。目前，類似的系統基本上都是採用一套雷射發射系 統把一束高能雷射發射到目標上。這種雷射作用系統，除了雷射器自身的性能影響之外，受 雷射照射的擴束光路中的鏡片會產生溫度變形，使系統的出射光束質量達不到最優的性能 指標；另外雷射經大氣傳輸到達目標，大氣湍流會使雷射產生畸變，而且強雷射傳輸的大氣 熱暈效應也會引起雷射畸變，從而造成碎片靶標上的雷射功率不均勻或下降，嚴重影響系 統的效能。針對上述問題，目前比較好的解決辦法是在雷射發射系統中引入自適應光學技 術，實現雷射束整形與大氣傳輸校正。
[0005] 為了實現較好的空間碎片去除效果，要求到達碎片上的雷射功率密度足夠大。這 一方面可以增大發射雷射器的功率；另一方面可以增大發射望遠鏡的口徑，使採用自適應 光學技術後，在空間碎片上的接近衍射極限光斑足夠小。但是，單純增大功率對雷射器技術 的要求較高，並且雷射功率增大之後，光路系統中的光學元件溫度變形會變得難以控制，嚴 重影響出射光束質量；而增大發射望遠鏡的口徑則對望遠鏡技術提出了更高的要求，相對 應的自適應光學規模也會加大，這些都會增加系統的實現難度及成本。


【發明內容】

[0006] 本發明為解決地面高能雷射發射系統對空間碎片過程中存在光路中元件受熱變 形等問題，提供一種基於分離式多望遠鏡形式的雷射合束空間碎片清除系統。
[0007] 基於分離式多望遠鏡形式的雷射合束空間碎片清除系統，該系統包括多組望遠鏡 系統，所述每組望遠鏡系統包括雷射發射望遠鏡雷射導星單元、光路中繼系統、自適應光學 組件和高功率雷射發射器；
[0008] 所述每組望遠鏡系統內的雷射導星單元發射的雷射光束在空中形成雷射導星，導 星光線依次經雷射發射望遠鏡及光路中繼系統後，進入自適應光學組件，所述自適應光學 組件測得當前系統波像差，並進行校正，高功率雷射發射器發射的雷射束依次通過自適光 學組件、光路中繼系統、折轉鏡以及三鏡後，經雷射發射望遠鏡發射到空間碎片目標上，實 現對空間碎片的清除。
[0009] 本發明的有益效果：本發明在地面上實現對空間碎片的清除作用，利用光束能量 疊加原理，系統中應用了基於雷射導星的自適應光學技術，能夠提高空間碎片清除效果及 效率。避免了發射在軌空間清除裝置的高成本、高系統複雜度等風險；採用多雷射合束技 術，可以降低對單個雷射器功率的要求，弱化單一高功率雷射器所帶來的鏡面熱變形問題， 同時對望遠鏡技術的要求也相應降低；採用自適應光學技術，提高了大氣對雷射傳輸的影 響；採用雷射導星技術，提高了對暗弱空間碎片目標的作用效果。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010] 圖1為本發明所述的基於分離式多望遠鏡形式的雷射合束空間碎片清除系統的 結構示意圖；
[0011] 圖2為本發明所述的基於分離式多望遠鏡形式的雷射合束空間碎片清除系統中 單個望遠鏡系統的結構示意圖；
[0012] 圖3為本發明所述的基於分離式多望遠鏡形式的雷射合束空間碎片清除系統中 傾斜校正鏡的實現方式示意圖；
[0013] 圖4為本發明所述的基於分離式多望遠鏡形式的雷射合束空間碎片清除系統中 變形鏡的實現方式示意圖；
[0014] 圖5為本發明所述的基於分離式多望遠鏡形式的雷射合束空間碎片清除系統中 雷射導星單元的結構示意圖。

【具體實施方式】

【具體實施方式】 [0015] 一、結合圖1至圖5說明本實施方式，基於分離式多望遠鏡形式的激 光合束空間碎片清除系統，對於分離式多望遠鏡形式，各望遠鏡系統都有一套相應的支撐 及目標跟蹤系統，該支撐與跟蹤系統為大多數望遠鏡的固有組成部分，每個望遠鏡系統主 要由雷射發射望遠鏡、雷射導星單元3、光路中繼系統6、自適應光學組件7和高功率雷射發 射器8組成。其中單塊式主鏡1、次鏡2組成的主光學系統安裝在一套支撐及目標跟蹤系 統上面，構成雷射發射望遠鏡；雷射導星單元3安裝在次鏡2的背面，發射一束雷射到約90 公裡的海拔高度，形成雷射導星，望遠鏡接收導星的光線，經過光路中繼系統6後，進入自 適應光學組件7,自適應光學組件7測得當前的系統波像差，並進行校正。由高功率雷射發 射器8發射的雷射束依次通過各自的自適應光學組件7、光路中繼系統6、折轉鏡5和三鏡 4後，由雷射發射望遠鏡發射出去。因為由大氣擾動引起的波像差已經過自適應光學組件 7校正，所以這時從望遠鏡發射到空間碎片目標上的雷射束也是校正好的，雷射在目標上的 能量將高度集中，各望遠鏡系統發射的雷射束能量的疊加將對空間碎片產生燒蝕效果。
[0016] 結合圖2說明本實施方式，光路中繼系統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，所述自適應光學組件7由傾斜校正鏡7-1、第二光學組件 7- 4、第三光學組件7-5、第四光學組件7-6、第五光學組件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實現主鏡1與傾斜校正鏡 7-1成光學共軛關係，光學組件7-2實現主鏡1與變形鏡7-3成光學共軛關係。從雷射導星 來的光線依次經過主鏡1、次鏡2、三鏡4、折轉鏡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、第一光學組件7-2、變形鏡7-3、第二光學組件7-4、第三 光學組件7-5、先由第四光學組件7-6進入波前傾斜傳感器7-8,再由第五光學組件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， 進行處理並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,分別實現對傾斜 校正鏡7-1和變形鏡7-3的閉環控制，達到對大氣引起的光波前擾動校正的目的。第二光 學組件7-4、第三光學組件7-5、第四光學組件7-6和第五光學組件7-7使變形鏡7-3和波 前傳感器7-9成光學共軛關係。高功率雷射器8發射的雷射依次經過第三光學組件7-05、 第二光學組件7-4、變形鏡7-3、第一光學組件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、折轉鏡5、三鏡4、次鏡2,再由主鏡1發射出去。因為傾 斜校正鏡7-1和變形鏡7-31已經實現了波前校正，所以這時發射出去的雷射束是經過校正 的，到達空間碎片目標的是不受大氣影響的理想光束。
[0017] 結合圖3說明本實施方式，圖3給出了傾斜校正鏡7-1實現方式，要求傾斜校正鏡 7-1與主鏡1成光學共軛關係。傾斜校正鏡7-1與主鏡1成光學共軛關係。傾斜校正鏡由 三個位移促動器111做兩維的傾斜調整。
[0018] 結合圖4說明本實施方式，圖4給出了大氣校正變形鏡組7-3的實現方式，要求大 氣校正變形鏡7-3與主鏡1成光學共軛關係。變形鏡7-3與主鏡1成光學共軛關係。變形 鏡面下有多個促動器112,實現對鏡面面形的控制。
[0019] 波前傳感器7-9與大氣校正變形鏡7-3成光學共軛關係，可以有多種實現方式，既 可採用常規的Shack-Hartmann傳感器，也可以採用基於能量集中度的SP⑶方法等。
[0020] 結合圖5,雷射導星單元由導星雷射器3-1發出的光線，依次經過導星發射望遠鏡 次鏡3-3、主鏡3-2發射出去。圖中略去了常規使用的導星發射望遠鏡支撐和指向調節組 件、導星雷射器相關組件等。
[0021] 本實施方式所述的由分離的多個雷射發射望遠鏡系統組成一個陣列。本發明基於 一個望遠鏡系統發射一束高功率雷射，每個望遠鏡自成系統，各自包含有自適應光學校正 單元和雷射導星單元。這種結構形式的優點是不需要研製大口徑的雷射發射主鏡，降低主 鏡研製成本及與其對應的多單元數自適應光學系統的研製成本；且採用雷射合束的形式可 以降低對單個雷射器功率的要求，系統配置靈活，能夠根據空間碎片的特徵確定所需參與 工作的望遠鏡的數量及雷射功率；同時相對於拼接主鏡形式，不需要大口徑的望遠鏡跟蹤 架。
【權利要求】
1. 基於分離式多望遠鏡形式的雷射合束空間碎片清除系統，其特徵是，包括多組望遠 鏡系統，所述每組望遠鏡系統包括雷射發射望遠鏡、雷射導星單元（3)、光路中繼系統（6)、 自適應光學組件（7)和高功率雷射發射器（8); 所述每組望遠鏡系統內的雷射導星單元（3)發射的雷射光束在空中形成雷射導星，導 星光線依次經雷射發射望遠鏡以及光路中繼系統（6)後，進入自適應光學組件（7)，所述自 適應光學組件（7)測得當前系統波像差，並進行校正，高功率雷射發射器（8)發射的雷射束 依次通過自適光學組件（7)、光路中繼系統（6)後，經雷射發射望遠鏡發射到空間碎片目標 上，實現對空間碎片的清除。
2. 根據權利要求1所述的基於分離式多望遠鏡形式的雷射合束空間碎片清除系統，其 特徵在於，所述雷射發射望遠鏡包括主鏡（1)和次鏡（2)、三鏡（4)、折轉鏡（5)，導星光線經 主鏡（1)和次鏡（2)、三鏡（4)、折轉鏡（5)以及光路中繼系統（6)後，進入自適應光學組件 (7);所述主鏡（1)為單塊式主鏡。
3. 根據權利要求1所述的基於分離式多望遠鏡形式的雷射合束空間碎片清除系統，其 特徵在於，所述自適應光學組件（7)由傾斜校正鏡（7-1)、多個光學組件、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；經雷射導星單元（3)出射的雷射光束依次經主鏡（1)、次鏡（2)、 三鏡（4)、折轉鏡（5)、光路中繼系統￠)、傾斜校正鏡（7-1)第一光學組件（7-2)、變形鏡 (7-3)、第二光學組件（7-4)、第三光學組件（7-5)以及第四光學組件（7-6)進入波前傾斜傳 感器（7-8)，再經第五光學組件（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)的信號進行處理並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)，分別實現對傾斜校正鏡（7-1)和變形鏡（7-3)的波前校 正。
4. 根據權利要求1所述的基於分離式多望遠鏡形式的雷射合束空間碎片清除系統，其 特徵在於，所述傾斜校正鏡（7-1)與主鏡（1)成光學共軛，變形鏡（7-3)與主鏡（1)成光學 共軛。
5. 根據權利要求4所述的基於分離式多望遠鏡形式的雷射合束空間碎片清除系統，其 特徵在於，所述傾斜校正鏡（7-1)由三個位移促動器（111)做二維的傾斜調整。
6. 根據權利要求3所述的基於分離式多望遠鏡形式的雷射合束空間碎片清除系統，其 特徵在於，所述的波前傳感器（7-9)與變形鏡（7-3)成光學共軛，變形鏡（7-3)由多個促動 器（112)實現對鏡面面形的控制。
【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 優先權日:2014年7月29日
【發明者】王建立, 林旭東, 劉欣悅, 衛沛鋒, 王亮 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所