0 引 言

对于已经存在的太空碎片，主动清除方式主要有推力离轨方法、空间机器人抓捕离轨方法等，但是此类方法都存在耗能大、成本高的缺点。有计算结果表明，仅通过碎片轨道的自然衰减使碎片离轨耗时极长，因此迫切需要开发低耗、高效的碎片离轨、清除技术。此外，为了从源头上消除空间碎片的产生，在不远的将来所有发射入轨的火箭、卫星都应具备清理自身碎片的能力，在完成任务后实现主动快速离轨。

电动力绳系是利用系绳切割地磁场而产生电荷效应，其中绳系端部安装有电荷收集及发射器，当绳系与地球的磁层和电离层相互作用时，由于收集器和发射器与电离层之间存在电荷交换，绳系与电离层形成了一个闭合回路，因而在导电绳系中产生了电流[1～6]。电流回路在磁场中受到洛伦兹力作用，绳系利用这个力矩实现离轨。利用电动力绳系实现火箭末级离轨，离轨过程中不需要消耗火箭末级所携带的推进剂，可有效降低火箭末级重量，从而降低离轨成本，提高火箭末级的离轨效率。但是，电动力绳系如何结合运载火箭进行离轨工程化应用存在一些技术难点，离轨效能也是影响其可行性的重要方面，本文针对这些问题开展研究。

1 电动力绳系离轨的火箭末级适应范围分析

经研究分析，中国目前主要火箭末级需考虑采取离轨措施的火箭末级轨道及质量特性如表1所示。

表1 中国主要火箭末级情况（需考虑离轨措施） Tab.1 Major Final Stages of Chinese Luanch Veichles (Need Deorbiting Measures)

型号类型轨道倾角(°)轨道高度km级长m直径m质量t 备注CZ-2系列 98 700 11.2 3.35 4 近圆轨道CZ-4系列 99 850 5 2.9 1.8 近圆轨道

通过研究表明，中国目前应用的典型火箭末级很难满足25年衰减的国际要求。考虑对这2种类型的火箭末级采用直接制动离轨方式，需要末级提供的速度增量及燃料消耗如表2所示。

表2 直接离轨能力需求分析 Tab.2 Active Deorbiting Requirements

型号类型 速度增量/(m·s-1) 燃料消耗 备注CZ-2系列 153 5.1% 末级比冲取2922m/s[7]CZ-4系列 191 6.3% 末级比冲取2942m/s[7]

绳系由3个部分组成：非导电部分、裸露的导电部分以及绝缘的导电部分。

通过调查运动员是否会主动性学习，即对考试成绩的关注程度、向教师请教问题的情况，可以进一步印证运动员对得学习的态度。从表2可以看出，只有不到10%的同学对考试成绩持无所谓的态度，近半数的运动员明确表明对考试成绩较为在意。表3为运动员向教师请教情况，从中可以看出：绝大多数运动员，即79.3%的运动员都不愿向教师请教；能够较积极地向老师请教的运动员仅占10.8%。从数据上看，两方面的态度是相悖的。不过，通过后续访谈得知，运动员因学习基础普遍相对较差，经常寻找不到问题的逻辑起点，掌握不了正确的解题思路和学习方法，以及自卑和害羞的心理，因而不愿意向教师请教问题。

表3 CZ-2C火箭末级离轨任务参数分析[7] Tab.3 Deorbiting Paramenters of CZ-2C Final Stage

轨道倾角(°)轨道高度km级长m直径m质量t燃料消耗自然衰减寿命年98 700 11.2 3.35 4 5.1% ＞40

2 电动力绳系离轨系统设计

2.1 系统组成及工作原理

根据总体参数和指标约束，以SSO轨道CZ-2C为离轨目标，需要实现轨道倾角为98°、质量为4 t、级长为11.3 m、直径为3.35 m的火箭末级利用电动力绳系完成离轨（从轨道高度700 km降轨至200 km）。

考虑到火箭末级离轨系统要做到系统尽量简单，以避免设计的复杂度和系统开销代价。因此，在满足总体任务指标要求的情况下，控制策略采用简单易行的方式。

图1 电动力绳离轨系统组成 Fig.1 Composing of Electrodynamic Tethered Deorbiting System

基于电动力绳的火箭末级离轨系统由火箭末级离轨模块、电动力绳系组成，电动力绳系包括释放展开装置、导电绳系、绳系控制单元、电荷发射装置等部分，电动力绳离轨系统工作原理如图2所示。

图2 电动力绳离轨系统工作原理 Fig.2 Principium of Electrodynamic Tethered Deorbiting System

进入离轨阶段后，空间微流星和碎片的撞击有可能造成绳系断裂，绳系的张力过大也会对绳系造成危险。因此，要对绳系的结构进行合理的设计以减小断裂的风险，以提高生存能力。根据初步技术研究，绳系设计必须保证其在较长的任务周期中的存活率达到95%～98%。为保证绳系存活率，采用Hoytether方案，它由几股绳束编织而成，其结构为几条平行绳束，在中间有周期性相连，可以为载荷和电流提供冗余路径，以便在几股绳束断裂的情况下仍能保持设计载荷。

电动力绳系离轨系统采用裸绳系技术和空心阴极技术实现高效电荷交换，绳长5 km，设置空心阴极发射电流1 A，末端载荷质量不超过40 kg。

2.2 导电绳系

CZ-2及CZ-4系列火箭末级情况，若采用主动离轨，需要的速度增量较大，意味着额外消耗较多的燃料，因此适用于电动力绳系离轨方式，该系列火箭总体参数相近，本文以CZ-2C为典型案例开展研究。

采用SPSS 18.0统计学软件对数据进行处理，计量资料以“±s”表示，采用t检验；计数资料以例数（n），百分数（%）表示，采用x2检验；以P＜0.05为差异有统计学意义。

为了防止放电现象的发生，绳系靠近火箭末级的部分是一小段非导体绳系，是由抗拉能力强、电绝缘性好以及低密度的材料组成。非导电部分增加了稳定性，同时尽量减少额外的质量。

当绳系导电部分的一部分被裸露用来收集电子时，电位将减小由于电子的收集所产生的电动势，从而形成电流，直到绳系和空间电势平等。一旦发生这种情况，系绳开始吸引离子和减小电流。电子收集大于离子收集，由于离子的质量和大小比电子大，所以引起离子移动较慢，以至于离子的收集不足以在模型中显现。

绳系的导电部分到端块的最后的部分长度被绝缘，以防止电子与来自阴极等离子接触器发射的离子绳系被直接收集。

火箭末级离轨模块为电动力绳系提供指令和时钟信号，并为释放展开装置提供机械接口。绳系控制单元接收指令并控制释放展开，同时根据状态反馈控制绳系电流，接收导电绳系的充电电流进行充电，以提供任务期间各部件的电源。绳系控制单元通过接收机能够接收地面遥控指令信号。

(一)语义的普遍性。语义是否具有普遍性是决定网络词语去留的首要标准。它指的是网络流行语的语义能够被社会接受,并且得到广泛使用和传播,它不仅仅只是出现在网络交流中,而且延伸至各种传媒和人们的日常交谈中。语义接受的普遍性表现在网络流行语的使用频率和使用人群的广泛性。

2.3 释放展开装置

在存储系统上，从技术成熟度上，采用卷轴式的绳系存放具备较高的成熟度，但其主要适用于圆柱状绳系，而对于带状绳系，可以重点考虑矩形箱式存放装置，但是需要对长度测量及速度控制进一步研究。

在弹射系统上，考虑采用弹簧进行弹射，为利于绳系展开释放的控制精度，可考虑采用伺服机构，以便进行弹射方向的控制；在制动系统上，考虑在绳系末端包裹摩擦材料达到减速目的。

a）绳系初始弹射阶段：绳系系统无控；

在电动系绳弹射释放阶段（特别是弹射飞行阶段）对火箭末级进行姿态控制，以避免火箭末级大幅摆动对系绳释放形成干扰，在绳系释放的 2个阶段拟采用下述释放控制策略：

2.4 电荷发射装置

电荷发射装置即等离子接触器，这里采用空心阴极方案，空心阴极由一个阴极管、触发保持极、加热器和可封闭式通道等组成。工作气体 Xe流入阴极管内，在阴极顶限流小孔的作用下，阴极管内的压力通常要比小孔外的压力高几个数量级，约1～2 kPa。利用加热器将加热体缓慢加热到适当温度，在触发保持极对阴极加大约数百伏点火电压后，在发射体和触发保持极之间产生气体放电。

空心阴极系统设计分为 3部分，主要为：气路模块、电源转换模块（含测控模块）和电源系统设计。气路模块为空心阴极等离子体接触器提供必要的放电工质，电源转换模块将进入内系统的总线电压转换为各用电器所需的工作电压。电源系统对电源转换模块（含测控模块）进行供电，电源转换模块（含测控模块）控制气路的开关并完成相关数据测量，同时可以维持等离子体接触器点火，从而实现空心阴极系统与外界环境等离子体的电荷交换功能。

图3 空心阴极系统示意 Fig.3 The System of Hollow Cathode

3 电动力绳系离轨系统对火箭末级技术需求

3.1 结构系统技术需求

根据电动力绳系离轨系统总体方案，结构系统需要考虑电动力绳系未释放展开时的存储和防护，并提供安装接口，在释放展开过程中，需要设计机构装置弹射出电动力绳系。因此，火箭末级结构系统主要需要考虑存储释放装置以及绳系对系统的需求。

针对一定的绳系结构设计和展开释放装置结构设计，需对其予以估重，使得运载火箭末级可承受此部分重量。根据绳系质量模型，对于5 km的电动力绳系离轨系统，其电动力绳系系统质量约57 kg，其中展开释放装置及其他系统装置约37 kg，绳系约20 kg。

4月14日9时30分，长江防汛抗旱总指挥部常务副总指挥、长江水利委员会主任蔡其华紧急召开长江防总办公室会商会，研究部署应对青海省玉树县地震工作。为有效应对此次地震灾害，长江委成立了抗震救灾领导小组，蔡其华主任担任组长。遵照国家防总统一部署，安排由长江委副总工夏仲平带队的国家防总、水利部5人工作组于14日下午紧急赶赴青海省，了解震损水利工程情况，协助当地做好抗震救灾工作。

采用卷轴式的展开释放装置可引起较小的失败，同时缠绕的风险和绳系扭曲的风险都较小。根据典型的展开释放装置估算，装置的安装接口为 670 mm×710 mm×120 mm。结合CZ-2C的布局构型，安装位置宜选在仪器舱外壁上以满足气动等性能，可将其布置于舱壁外，以利于展开释放动力学的位置。

图4 典型的卷轴式展开释放装置示意 Fig.4 Typical Reel Deployer

3.2 姿控系统技术需求

由于绳系具有阻尼小、柔性大的特点，在绳系释放过程及末级离轨过程中，绳系长度的变化引起Coriolis加速度，可能导致绳系出现大幅摆动及振动，进而与火箭末级相互作用时极易产生一系列复杂的耦合天平动及振动。特别是若不施加控制，绳系可能发生大幅度松弛振动，造成绳系缠绕、冲击等有害现象，并可能使得绳系动应力幅值超过材料的强度极限。此外，由于载荷弹射冲量必定导致火箭末级刚体产生反作用角动量，导致火箭末级刚体旋转。弹射飞行阶段绳系拉力为零或很小，基本不对火箭末级刚体姿态运动产生恢复力矩，而弹射绳系展开过程的拉力波动显著，因此有必要在弹射释放阶段对火箭末级姿态进行控制，否则火箭末级可能发生翻滚。

为确保火箭末级本体姿态摆动幅度较小，适合绳系弹射释放，应尽可能保证火箭末级纵轴与轨道径向一致，同时姿态角速度较小。在绳系释放过程中，火箭末级姿态与当地垂线偏离角度要求不超过90°，否则，本体发生翻转，将破坏绳系释放的稳定性。通过对弹射释放阶段的仿真分析，可以得到下述结论：若弹射初始时刻，经过弹射前的姿控过程，火箭末级本体姿态角速度不超过0.1 (°)/s，纵轴偏离当地垂线角度不超过25°时，或火箭末级本体姿态角速度不超过0.05 (°)/s，纵轴偏离当地垂线角度不超过32°时，无需使用额外的火箭姿控系统，采用下述释放策略，不会引发火箭末级的大幅翻转，绳系释放能够基本稳定。

图5 火箭末级姿态偏离最大值变化趋势 Fig.5 Maximum Diaviation of the Attitude

3.3 时序控制技术需求

CZ-2C火箭末级在电动力绳系作用下进行离轨运动。在离轨工作过程中，火箭末级系统工作过程需要根据控制系统的时序要求进行电信号控制。火箭末级电气系统应增加与绳系的接口电路，包括一路计时检查电路和一路指令接口电路。末级控制系统应对飞行软件进行适应性改进，增加末级任务后的姿态控制及时序控制。

基于电动力绳的火箭末级离轨任务主要分为绳系弹射释放和电动力离轨两个阶段。在弹射释放过程中，特别是无控释放情形，柔性绳系将产生大幅度运动，构型变化比较显著，故而采用“珠式”模型研究系绳释放过程[8,9]。记火箭末级为结点 0，沿火箭末级至载荷方向将绳单元的集中质量点依次记为结点1，2，…，n，记载荷为结点n+1。

4 电动力绳系离轨系统效能分析

4.1 动力学建模及离轨控制策略

为了验证控制算法的有效性，下面将分别针对系统所受扰动信号为低频扰动信号和高频扰动信号两种情况下对本文所设计自抗扰控制器进行仿真研究.

图6 离散的系绳单元 Fig.6 Discrete Units of the Tether

依据牛顿第二定律，可列出火箭末级（载荷）质心动力学方程表达式

机械电气一体技术在应用的过程中，由于其具有数字显示、程序控制功能，无需设计过多的手柄、按钮，其操作相对比较方便。同时，鉴于该技术具有重复动作的功能，可以自动选择程序，减少了操作人员的工作量。

式中 mR (M)为火箭末级端（载荷端）的总质量，为火箭末级（载荷）的质量，me为绳系单元质量， n R (M)为火箭末级（载荷）内的绳系结点数； rR ( M)为火箭末级（载荷）质心的位移矢量；FR (M)和 TR (M)分别为火箭末级（载荷）受到的地球万有引力主矢与系绳拉力； R(M)P 为外界摄动力。

火箭末级（载荷）外部绳结点的动力学方程为

锡伯族妇女能歌善舞，心灵手巧，她们的传统双面刺绣独具特色，在锡伯民俗博物馆内有展出，得到游客的一致好评。在手工艺品商店，各类手工艺品在旅游旺季十分畅销，增加了当地居民收入。

式中 F i为结点i所受的万有引力矢量；T i = T i , i− 1 +Ti , i +1，Ti , i−1和 T i , i+1分别表示结点i的前端结点 i −1和后端结点i+ 1 对其的拉力，而 T i,i− 1 = EA(η i, i− 1 −1 + α dη ˙i,i−1)，ηi,i−1为结点i与结点i−1间的系绳延伸率，αd为系绳的阻尼耗散因数，ηi,i−1为系绳段Li,i−1的延伸率；Pi为各结点收到的外界摄动力。对于结点 n R+1，其前端是火箭末级结点R，而结点 n −nM后端为载荷结点M。

离轨过程中，将火箭末级与末端载荷视为质点，电动力绳系视为刚性杆，离轨过程中忽略杆的刚体姿态并视其始终垂直于地球表面，因此动力学模型可描述为轨道参数缓慢变化的轨道摄动方程。为避免计算奇异，适应轨道倾角0°≤i＜180°和任意轨道偏心率的情况，针对传统的轨道六要素（半长轴a，偏心率e，轨道倾角i，升交点赤经Ω，近地点幅角ϖ，真近点角ν），引入六个非奇异轨道元素：

相应的轨道摄动方程为

式中 S，T，W分别是沿轨道坐标系三个轴向的摄动加速度分量；µe为地球引力常数；s2 =1+ h 2 + k 2；w=1 + ξ c o s L + η sinL。主要的轨道摄动力来源包括大气阻力、地球扁率、洛伦兹力等。

读书是一种品质，也是一种责任；是一种情怀，也是一种境界。它赋予人才识与智慧，给予人信念与力量，引领我们通向成功的阶梯。读书可以提高我们的阅读潜质和写作水平，更能提升我们的个人修养和气质。让我们静心读书，净化心灵，尽情享受阅读的快乐。

释放展开装置通过释放机构与火箭末级相连接。当进行离轨操作时，绳系控制单元接收指令，启动绳系释放机构，由触发释放机构弹出绳系，控制绳系的释放速度，确保绳系展开的构型。由裸绳系收集电子，并将空心阴极安装在电动力绳系离轨装置的远端位置，由其发射收集的电子，以形成持续稳定的电流，从而产生离轨所需的洛仑兹力。

b）绳系主动释放阶段：绳系系统采用Kissel释放控制律。

初始弹射阶段火箭末级姿态变化曲线及主动释放阶段火箭末级姿态变化曲线分别如图7、8所示。

图7 初始弹射阶段火箭末级姿态变化曲线 Fig.7 Attitude Variation of the Stage during the Intial Injection

图8 主动释放阶段火箭末级姿态变化曲线 Fig.8 Attitude Varation of the Stage during Active Deployment

通过仿真可以看出，初始弹射阶段时间较短，火箭末级在姿控作用下向目标值迅速趋近。在主动释放阶段，针对绳系系统采用Kissel控制律，绳系能够稳定释放，同时火箭末级姿态并未发生翻转，姿态能够保持稳定。

为保证在电动力辅助离轨阶段，绳系不发生大幅摆动，而且能够实现系统降轨，采用电流开断离轨控制律作为组合体姿态稳定控制策略，该方法算法简单，易于工程实现。

虽然社团结构松散，学生的精神意志、思维方式又不可能处于同一层次，但在设定的文化氛围下很容易形成评价学生行为方式的“风向标”，促使学生的思想观念、行为方式、心理素质等方面对现有文化价值产生认同。这种持久的、渗透的、强制的约束感能够引导学生改正自己的错误，逐渐转变自己的习惯，内化为人的行为自觉。在这种文化氛围下，让学生通过动之以情、晓之以理的情境教育培养自立、自律的理念，克服交际障碍，促进性格转变，提高自身能力和水平，让学生在实践中自我感受、自我把握、自我领悟，进而培养高尚的情操、优良的品质及远大的理想。

4.2 仿真系统构建

仿真系统包括参数模型数据库、电动力计算模块、绳系与火箭末级耦合动力学模块、离轨轨道计算模块等。其中，参数模型数据库采用第11代国际地磁场参考场（IGRF11）13阶模型计算磁场强度，采用国际参考电离层模型 IRI2007计算电子密度，采用美国海军研究实验室（NRL）发展的NRLMSISE-00大气模型计算大气密度。离轨过程仿真计算流程如图9所示。

图9 火箭末级离轨任务仿真计算流程 Fig.9 Simulation Flow of the Deorbit Mission

4.3 离轨效能分析结果

对于采样电动力绳系离轨的系统，影响其离轨的时间因素除轨道高度、轨道倾角、电动力绳长度之外，还有系统重量等其他因素。不计绳系系统的姿态变化，火箭末级质量参数与几何参数按CZ-2C作为标称值，标称值基本参数如表4所示。同时考虑地球引力摄动及大气阻力，采用刚性杆系绳模型对离轨过程进行分析，假设系统构型始终沿轨道径向保持稳定，对绳系离轨过程进行性能指标分析。

女孩的滑翔翼是白色的，翼面比所有人的都要光滑，几乎能映出人的影子。随着翼面的摆动，阳光在上面反射出耀眼的光芒，像女孩张扬的个性，极为引人注目。

表4 标称值基本参数 Tab.4 Basic Parameters

系统参数 取值载荷质量/t 0.04轨道高度/km 700轨道倾角/(°) 0系绳长度/km 5

图10描述了系统轨道高度、轨道偏心率、电子密度、动生电动势、阴极电流及系绳平均电流随时间变化情况。不难看出，此时系统的离轨耗时约 145天，轨道偏心率几乎没有变化，电子浓度保持在1011量级，动生电动势在700～1200 V范围内变化，阴极电流即系绳最大电流达到4.5 A，平均电流随着离轨过程的进行由0.5 A增大到3 A。

图10 标称算例各参数随时间变化情况 Fig.10 The Variation of Parameters for the Nominal Case

续图10

以CZ-2C火箭末级为对象，采用不同的绳系长度情况下，针对不同绳长参数，分别仿真计算离轨时间效能，得到各种工况下离轨时间，如图11所示。

国家和地方各级反腐败领导机构设置构想如下:全国人大设立反腐败委员会，领导和监督全国反腐败工作。地方人大不设立相应的委员会。国家廉政总署受全国人大领导和监督，对全国人大负责;在全国人大闭会期间，对全国人大常委会负责并报告工作作为过渡性安排，国家廉政总署可接受国务院与全国人大的双重领导，垂直管理，不受地方政府与地方人大的干预。由原监察部、预防腐败局、反贪局、信访局等合并而成。国家反腐败机构行使对腐败行为的调查和非刑罚处罚权，不受地方政府、其他任何机关和团体的领导、指挥和干涉。

图11 多组绳长工况下离轨时间与初始轨道高度关系曲线 Fig.11 The Relation Curves That the Deorbit duration Varies with the Initial Orbital Altitude

由图11可以看出，假定于CZ-2C火箭末级为离轨对象，设计5 km的绳系长度，即可实现700 km SSO CZ-2C火箭末级在3年内离轨。

给定火箭末级，对于不同的离轨时间要求，电动力绳系统的适应范围也会不同，对于离轨时间要求为25年以及离轨时间要求为5年的两种情况下，绳系长度为5 km时，通过仿真计算，得到电动力绳的适应范围如图12所示。

图12 5km绳系的适应范围 Fig.12 Admissiable Range for 5km Tether

由图12可以看出，如果以5年为时间限制要求，则5 km绳系的适应范围为图13所示线条以下部分，覆盖轨道高度300～2000 km，轨道倾角60°的大部分轨道，当轨道倾角为98°时，覆盖轨道高度900 km以下的轨道。

5 结束语

针对电动力绳系在火箭末级离轨中的应用，本文系统分析了适用于电动力绳系离轨的火箭末级参数特性，对电动力绳离轨系统进行设计，对火箭的技术需求进行可行性分析，针对设计方案开展动力学建模及控制策略分析，最后通过仿真完成离轨系统效能分析，经仿真分析，电动力绳应用于火箭末级离轨，能够极大提高离轨效率，离轨时间效能满足国际空间碎片减缓要求。

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