急剧增加的空间碎片数目对人类航天活动危害日益加剧,已经引起了国际社会的广泛关注。激光清除空间碎片具有无污染、高效率、低成本等优点,被公认为是减缓危害的一种可行途径。激光清除空间碎片是利用高能脉冲激光烧蚀固体靶材的冲量耦合效应,高功率脉冲激光辐照碎片,使碎片获得反冲冲量。在反冲冲量作用下,轨道速度减小,近地点高度降低,最终进入大气层烧蚀,从而达到清除碎片目的。在这一过程中,激光与空间碎片的冲量耦合特性,不同形状空间碎片在激光辐照下的冲量特性,以及空间碎片在地基激光辐照下的轨道变化特性是亟待解决的关键问题。　　本文围绕纳秒激光烧蚀典型空间碎片材料的冲量耦合特性,采用实验研究与理论分析相结合的方法,深入研究激光参数对冲量耦合特性的影响规律和控制机理。进一步开展基于激光烧蚀冲量耦合的空间碎片清除应用研究,重点研究不规则空间碎片在激光辐照下的冲量特性,以及空间碎片在地基激光辐照下的轨道特性,为空间碎片清除方案设计和效果评估提供理论依据。主要研究工作有如下几个方面:　　(1)开展了真空环境下纳秒激光烧蚀铝靶等离子体羽流演化过程实验研究,为激光辐照不规则空间碎片反冲冲量基本模型建立提供实验依据。采用激光阴影法观测真空环境下等离子体羽流流场,得到等离子体羽流演化过程。激光脉冲结束后,等离子体羽流以类似蘑菇状向远离靶面方向膨胀,100ns时间内靶面法向方向上空间尺度变化较大;不同激光入射角度下,等离子体羽流反喷方向与激光垂直入射时的结果基本相同,反喷方向主要沿着靶面法向方向。　　(2)开展了纳秒激光烧蚀固体碎片微小冲量测量实验研究,提出了基于最小二乘法的激光干涉扭摆系统冲量测量实验数据分析方法,为纳秒激光烧蚀冲量耦合物理模型验证提供实验依据。利用基于激光干涉法的扭摆系统测量微小冲量时,会受到扭摆系统纵轴振动和初始扭摆状态有误差角的影响,针对以上问题,进行建模分析,提出了基于最小二乘法的实验数据分析方法。该方法能够有效滤除高频测量噪声,解决了冲量测量精度不高的问题,进一步完善了微小冲量测量方法。　　(3)探讨了纳秒激光烧蚀铝靶物理过程的理论建模问题,为研究激光参数对冲量耦合影响提供物理模型基础。建立了一个较为完整的纳秒激光烧蚀铝靶物理模型,模型包括了靶材熔融气化、等离子体羽流形成及膨胀和等离子体羽流对入射激光吸收等主要物理过程。考虑了热导率、反射率和吸收系数的变化以及等离子体屏蔽效应,使所建模型更加符合实际。从冲量耦合系数、烧蚀阈值以及等离子体形成阈值三个方面对所建模型进行验证。结果表明模型能够反映靶材烧蚀过程和等离子体羽流膨胀过程的相互影响,以及两者对冲量耦合的影响,进一步深化了对纳秒激光烧蚀冲量耦合的机理认识。　　(4)研究了激光参数对纳秒激光烧蚀冲量耦合的影响,为最佳冲量耦合设计与分析提供了依据。给出了靶材烧蚀深度、靶温分布、等离子体羽流参数、靶面烧蚀压以及冲量耦合系数等物理量随激光参数的变化规律。结果表明:激光脉宽和波长一定时,冲量耦合系数随着激光能量密度的增加先增加后减少,存在一个最佳的冲量耦合系数。激光功率密度和波长一定时,随着激光脉宽的增加,激光能量密度增加,靶面烧蚀压力增加,冲量耦合系数也随之增加。激光能量密度和波长一定,激光脉宽较短时,峰值功率密度较高,容易形成等离子体屏蔽,激光脉宽较长,峰值功率密度较低,气化程度较弱,因此冲量耦合系数均较低。激光能量密度和脉宽一定时,与1064nm波长激光相比,532nm波长激光不仅有利于激光与靶材的能量耦合,也有利于提高激光与靶材的冲量耦合系数。　　(5)建立了激光辐照不规则空间碎片冲量模型和地基激光辐照空间碎片变轨模型,提出了一套完整的地基激光清除空间碎片仿真计算方法,为空间碎片清除方案设计与效果评估提供依据。结合动量和动量矩定理,分析了球体、柱体、长方体和半球体四种典型形状空间碎片在激光辐照下的的冲量和转动角速度增量变化规律。研究了圆轨道和椭圆轨道两种典型轨道特征空间碎片的降轨仿真过程,提出了单脉冲和多脉冲两种激光辐照空间碎片降轨计算模型。针对不规则空间碎片自旋情况,提出一种随机模拟方法,建立了空间碎片激光辐照效应随机分析模型。