空間碎片飛網捕獲仿真研究范文

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《航天器環境工程雜志》2014年第三期

1柔性飛網捕獲方案

本文假設帶有捕獲裝置的航天器在低地球軌道上運動。當空間碎片進入到柔性飛網的有效捕獲區域內，飛網拋射裝置就會將飛網拋射出去。飛網網體呈正方形，牽引質量塊系在飛網的四角處，如圖1(a)所示。圖1(b)為網體簡化模型（X模型），將飛網四邊和對角線視為彈簧，且對角線上的彈簧互不相連，也就是說每個質量塊都與3根彈性模量相同的彈簧相連接。取一個6×6格的飛網進行模型分析（如圖2所示），將飛網網格以對角線α×α(α=1,2,…,n)的形式逐個分析，網體內的柔性系繩均視為彈簧。故一個質量塊牽引飛網網邊的模型如圖3所示。拋射過程開始，質量塊先作遠離軸線運動，牽引網繩展開；網繩受到拉力后，質量塊改作靠近軸線運動，使網口面積先增大后縮小，以完成對空間碎片的捕獲。

2飛網捕獲過程建模

由于飛網是在空間拋射展開，所以建模時暫不考慮大氣阻力和重力的影響，設定飛網拋射速度v0和拋射角度θ，并定義θ為拋射方向與正x方向的夾角。坐標系如圖4所示，m點表示一個牽引質量塊。其他參數[10]設置如表1所示。飛網網口面積達到網體完全展開面積的80%時，網繩已經沒有交叉纏繞，可對空間碎片進行捕獲，此時飛網被拋射出的距離即為飛網最小捕獲距離。

3柔性飛網捕獲過程分析

3.1拋射角度與飛網捕獲能力的關系利用EXCEL軟件的圖表轉換功能將模型仿真計算得到的拋射角度與飛網捕獲能力關系數據繪制為關系曲線。圖5所示為拋射速度v0=20m/s時，拋射角度與飛網運行距離的關系。根據設定條件，拋射角度θ∈[0°,90°]，拋射裝置與柔性飛網相連的系繩總長為20m，且為無彈性的剛性繩，也就是說，飛網從拋射到完成捕獲的過程中，飛網總的運行距離不會超過20m。因此，可以對圖5進行優化處理，舍去運行距離大于20m的點，得到圖6。從圖6可以看出，當拋射角度θ≥38°時，飛網可以對空間碎片實施捕獲。最小捕獲距離和最大捕獲距離構成的區域是飛網捕獲空間碎片的有效區域，即飛網的捕獲能力。從圖6可以清楚地看出，拋射速度為20m/s時飛網的捕獲能力非常有限。圖7所示為拋射速度v0=60m/s時，拋射角度與飛網運行距離的關系。可以看出，當拋射角度θ≥43°時，飛網可以對空間碎片實施捕獲，且與v0=20m/s時相比，飛網的捕獲能力明顯增強。分析圖6和圖7可以發現，隨著拋射速度的增加，拋射角度的范圍呈小幅度遞減趨勢；當拋射速度確定時，隨著拋射角度的增大，飛網的運行距離縮短，但飛網的捕獲能力無明顯變化。

3.2拋射速度與飛網捕獲能力的關系同樣利用EXCEL軟件得到拋射速度與飛網捕獲能力的關系。圖8所示為拋射角度θ=38°時，拋射速度與飛網運行距離的關系。此時飛網的拋射速度可以選擇的范圍是v0∈[1,28]m/s。圖9所示為拋射角度θ=60°時，拋射速度與飛網運行距離的關系。此時飛網的拋射速度可以選擇的范圍是v0∈[1,126]m/s。由圖8和圖9可以發現，隨著拋射角度的增加，拋射速度可以選擇的范圍也不斷增大；而當拋射角度確定時，隨著拋射速度的增大，飛網的總運行距離以及飛網的捕獲能力都在增加。

3.3飛網捕獲軌跡根據飛網的捕獲模型，利用MATLAB軟件仿真其運行過程，可以更加直觀地顯示飛網捕獲空間碎片的運行軌跡。本文分別以v0=20m/s、θ=45°，v0=20m/s、θ=60°，v0=50m/s、θ=45°三種情形為例，仿真飛網從拋射展開到完成捕獲的整個運動過程，分別如圖10、圖11、圖12所示。其中各圖中的圖(a)均表示三維坐標系中4個質量塊牽引飛網的運行軌跡，圖(b)均表示二維坐標系中1個質量塊的運行軌跡。根據上述MATLAB仿真結果可知，隨著拋射角度的增大，飛網總運行距離在縮短，而飛網的捕獲能力無明顯變化；隨著拋射速度的增大，飛網總運行距離和飛網的捕獲能力都在增加。

4結束語

本文研究分析了不同拋射角度和拋射速度對飛網捕獲能力的影響，從EXCEL和MATLAB仿真結果都可以看出：隨著拋射角度的增大，飛網總運行距離在縮短，而飛網的捕獲能力無明顯變化；隨著拋射速度的增大，飛網總運行距離和飛網的捕獲能力都在增加。然而在EXCEL計算結果中，我們還可以根據拋射時空間碎片的大小及其與飛網間的距離，選擇合適的拋射角度和拋射速度，以獲得對空間碎片的最佳捕獲效果。

作者：賈杰王藝單位：南昌航空大學信息工程學院