基于分离式多望远镜形式的激光合束空间碎片清除系统

摘要

基于分离式多望远镜形式的激光合束空间碎片清除系统，涉及空间技术领域，解决现有地面高能激光发射系统对空间碎片过程中存在光路中元件受热变形等问题，本系统从地面发射多束高功率激光到空间碎片上，多光束能量的叠加实现对空间碎片的烧蚀作用。为了提高光束在空间碎片上面的作用效果，系统中采用了自适应光学技术对光学元件热变形和大气引起的扰动进行校正；同时，系统使用激光导星技术，提高了对暗弱空间目标的作用能力。该空间碎片清除系统是在地球表面上实现对空间碎片清除的一种方式，系统应用能量叠加的原理，采用多束激光发射，能够实现对不同轨道高度的空间碎片进行处理，各关键单元技术实现难度降低，维护方便，成本也相应减少。

说明书

技术领域

本发明涉及空间技术领域，具体涉及空间碎片的清除技术。

背景技术

空间碎片是指围绕地心轨道运行的人造物体，一般已经没有利用价值。它 是人类进行空间活动的产物，包括停止运行的航天器(如卫星、空间站、航天 飞机等)、用于发射卫星的火箭残留物、多级火箭分离所产生的碎片、空间物体 之间碰撞产生的碎片等。随着人类空间活动的进行，空间碎片的数量呈现不断 增长的趋势，其潜在的碰撞风险严重威胁着航天器的安全在轨运行。

对空间碎片的研究重点在于监视与清除。对空间碎片进行监视，是给出每 一个瞬间其在天空中的位置及变化，确定运行轨道。虽然对于一些规律运行的 空间碎片，航天器可以根据其运行轨道采取主动规避措施避免碰撞，但是对新 产生的碎片或是较小的碎片，主动规避措施就将会失效。所以为了确保航天器 的安全运行，有必要采取主动清除手段对空间碎片进行处理。

从地面上发射高能激光束到空间碎片，利用激光对空间碎片材料的烧蚀作 用，实现对空间碎片去除是一种可行的方案。目前，类似的系统基本上都是采 用一套激光发射系统把一束高能激光发射到目标上。这种激光作用系统，除了 激光器自身的性能影响之外，受激光照射的扩束光路中的镜片会产生温度变形， 使系统的出射光束质量达不到最优的性能指标；另外激光经大气传输到达目标， 大气湍流会使激光产生畸变，而且强激光传输的大气热晕效应也会引起激光畸 变，从而造成碎片靶标上的激光功率不均匀或下降，严重影响系统的效能。针 对上述问题，目前比较好的解决办法是在激光发射系统中引入自适应光学技术， 实现激光束整形与大气传输校正。

为了实现较好的空间碎片去除效果，要求到达碎片上的激光功率密度足够 大。这一方面可以增大发射激光器的功率；另一方面可以增大发射望远镜的口 径，使采用自适应光学技术后，在空间碎片上的接近衍射极限光斑足够小。但 是，单纯增大功率对激光器技术的要求较高，并且激光功率增大之后，光路系 统中的光学元件温度变形会变得难以控制，严重影响出射光束质量；而增大发 射望远镜的口径则对望远镜技术提出了更高的要求，相对应的自适应光学规模 也会加大，这些都会增加系统的实现难度及成本。

发明内容

本发明为解决地面高能激光发射系统对空间碎片过程中存在光路中元件受 热变形等问题，提供一种基于分离式多望远镜形式的激光合束空间碎片清除系 统。

基于分离式多望远镜形式的激光合束空间碎片清除系统，该系统包括多组 望远镜系统，所述每组望远镜系统包括激光发射望远镜激光导星单元、光路中 继系统、自适应光学组件和高功率激光发射器；

所述每组望远镜系统内的激光导星单元发射的激光光束在空中形成激光导 星，导星光线依次经激光发射望远镜及光路中继系统后，进入自适应光学组件， 所述自适应光学组件测得当前系统波像差，并进行校正，高功率激光发射器发 射的激光束依次通过自适光学组件、光路中继系统、折转镜以及三镜后，经激 光发射望远镜发射到空间碎片目标上，实现对空间碎片的清除。

本发明的有益效果：本发明在地面上实现对空间碎片的清除作用，利用光 束能量叠加原理，系统中应用了基于激光导星的自适应光学技术，能够提高空 间碎片清除效果及效率。避免了发射在轨空间清除装置的高成本、高系统复杂 度等风险；采用多激光合束技术，可以降低对单个激光器功率的要求，弱化单 一高功率激光器所带来的镜面热变形问题，同时对望远镜技术的要求也相应降 低；采用自适应光学技术，提高了大气对激光传输的影响；采用激光导星技术， 提高了对暗弱空间碎片目标的作用效果。

附图说明

图1为本发明所述的基于分离式多望远镜形式的激光合束空间碎片清除系 统的结构示意图；

图2为本发明所述的基于分离式多望远镜形式的激光合束空间碎片清除系 统中单个望远镜系统的结构示意图；

图3为本发明所述的基于分离式多望远镜形式的激光合束空间碎片清除系 统中倾斜校正镜的实现方式示意图；

图4为本发明所述的基于分离式多望远镜形式的激光合束空间碎片清除系 统中变形镜的实现方式示意图；

图5为本发明所述的基于分离式多望远镜形式的激光合束空间碎片清除系 统中激光导星单元的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1至图5说明本实施方式，基于分离式多望远镜形式 的激光合束空间碎片清除系统，对于分离式多望远镜形式，各望远镜系统都有 一套相应的支撑及目标跟踪系统，该支撑与跟踪系统为大多数望远镜的固有组 成部分，每个望远镜系统主要由激光发射望远镜、激光导星单元3、光路中继系 统6、自适应光学组件7和高功率激光发射器8组成。其中单块式主镜1、次镜 2组成的主光学系统安装在一套支撑及目标跟踪系统上面，构成激光发射望远 镜；激光导星单元3安装在次镜2的背面，发射一束激光到约90公里的海拔高 度，形成激光导星，望远镜接收导星的光线，经过光路中继系统6后，进入自 适应光学组件7，自适应光学组件7测得当前的系统波像差，并进行校正。由高 功率激光发射器8发射的激光束依次通过各自的自适应光学组件7、光路中继系 统6、折转镜5和三镜4后，由激光发射望远镜发射出去。因为由大气扰动引起 的波像差已经过自适应光学组件7校正，所以这时从望远镜发射到空间碎片目 标上的激光束也是校正好的，激光在目标上的能量将高度集中，各望远镜系统 发射的激光束能量的叠加将对空间碎片产生烧蚀效果。

结合图2说明本实施方式，光路中继系统6由第一光路组件6-1、第二光路组 件6-2和第三光路组件6-3组成，所述自适应光学组件7由倾斜校正镜7-1、第 二光学组件7-4、第三光学组件7-5、第四光学组件7-6、第五光学组件7-7、变 形镜7-3、波前倾斜传感器7-8、波前传感器7-9、波前处理器7-10、倾斜校正控 制器7-11和变形镜控制器7-12组成；所述第一光路组件6-1、第二光路组件6-2 和第三光路组件6-3实现主镜1与倾斜校正镜7-1成光学共轭关系，光学组件7-2 实现主镜1与变形镜7-3成光学共轭关系。从激光导星来的光线依次经过主镜1、 次镜2、三镜4、折转镜5、第一光路组件6-1、第二光路组件6-2和第三光路组 件6-3、倾斜校正镜7-1、第一光学组件7-2、变形镜7-3、第二光学组件7-4、第 三光学组件7-5、先由第四光学组件7-6进入波前倾斜传感器7-8，再由第五光 学组件7-7进入波前传感器7-9。波前处理器7-10获得波前倾斜传感器7-8和波 前传感器7-9的信号，进行处理并提供控制信号给倾斜校正控制器7-11和变形 镜控制器7-12，分别实现对倾斜校正镜7-1和变形镜7-3的闭环控制，达到对大 气引起的光波前扰动校正的目的。第二光学组件7-4、第三光学组件7-5、第四 光学组件7-6和第五光学组件7-7使变形镜7-3和波前传感器7-9成光学共轭关 系。高功率激光器8发射的激光依次经过第三光学组件7-05、第二光学组件7-4、 变形镜7-3、第一光学组件7-2、倾斜校正镜7-1、第一光路组件6-1、第二光路 组件6-2、和第三光路组件6-3、折转镜5、三镜4、次镜2，再由主镜1发射出 去。因为倾斜校正镜7-1和变形镜7-31已经实现了波前校正，所以这时发射出 去的激光束是经过校正的，到达空间碎片目标的是不受大气影响的理想光束。

结合图3说明本实施方式，图3给出了倾斜校正镜7-1实现方式，要求倾斜 校正镜7-1与主镜1成光学共轭关系。倾斜校正镜7-1与主镜1成光学共轭关系。 倾斜校正镜由三个位移促动器111做两维的倾斜调整。

结合图4说明本实施方式，图4给出了大气校正变形镜组7-3的实现方式， 要求大气校正变形镜7-3与主镜1成光学共轭关系。变形镜7-3与主镜1成光学 共轭关系。变形镜面下有多个促动器112，实现对镜面面形的控制。

波前传感器7-9与大气校正变形镜7-3成光学共轭关系，可以有多种实现方 式，既可采用常规的Shack-Hartmann传感器，也可以采用基于能量集中度的 SPGD方法等。

结合图5，激光导星单元由导星激光器3-1发出的光线，依次经过导星发射 望远镜次镜3-3、主镜3-2发射出去。图中略去了常规使用的导星发射望远镜支 撑和指向调节组件、导星激光器相关组件等。

本实施方式所述的由分离的多个激光发射望远镜系统组成一个阵列。本发 明基于一个望远镜系统发射一束高功率激光，每个望远镜自成系统，各自包含 有自适应光学校正单元和激光导星单元。这种结构形式的优点是不需要研制大 口径的激光发射主镜，降低主镜研制成本及与其对应的多单元数自适应光学系 统的研制成本；且采用激光合束的形式可以降低对单个激光器功率的要求，系 统配置灵活，能够根据空间碎片的特征确定所需参与工作的望远镜的数量及激 光功率；同时相对于拼接主镜形式，不需要大口径的望远镜跟踪架。