空间碎片飞网捕获仿真研究范文

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《航天器环境工程杂志》2014年第三期

1柔性飞网捕获方案

本文假设带有捕获装置的航天器在低地球轨道上运动。当空间碎片进入到柔性飞网的有效捕获区域内，飞网抛射装置就会将飞网抛射出去。飞网网体呈正方形，牵引质量块系在飞网的四角处，如图1(a)所示。图1(b)为网体简化模型（X模型），将飞网四边和对角线视为弹簧，且对角线上的弹簧互不相连，也就是说每个质量块都与3根弹性模量相同的弹簧相连接。取一个6×6格的飞网进行模型分析（如图2所示），将飞网网格以对角线α×α(α=1,2,…,n)的形式逐个分析，网体内的柔性系绳均视为弹簧。故一个质量块牵引飞网网边的模型如图3所示。抛射过程开始，质量块先作远离轴线运动，牵引网绳展开；网绳受到拉力后，质量块改作靠近轴线运动，使网口面积先增大后缩小，以完成对空间碎片的捕获。

2飞网捕获过程建模

由于飞网是在空间抛射展开，所以建模时暂不考虑大气阻力和重力的影响，设定飞网抛射速度v0和抛射角度θ，并定义θ为抛射方向与正x方向的夹角。坐标系如图4所示，m点表示一个牵引质量块。其他参数[10]设置如表1所示。飞网网口面积达到网体完全展开面积的80%时，网绳已经没有交叉缠绕，可对空间碎片进行捕获，此时飞网被抛射出的距离即为飞网最小捕获距离。

3柔性飞网捕获过程分析

3.1抛射角度与飞网捕获能力的关系利用EXCEL软件的图表转换功能将模型仿真计算得到的抛射角度与飞网捕获能力关系数据绘制为关系曲线。图5所示为抛射速度v0=20m/s时，抛射角度与飞网运行距离的关系。根据设定条件，抛射角度θ∈[0°,90°]，抛射装置与柔性飞网相连的系绳总长为20m，且为无弹性的刚性绳，也就是说，飞网从抛射到完成捕获的过程中，飞网总的运行距离不会超过20m。因此，可以对图5进行优化处理，舍去运行距离大于20m的点，得到图6。从图6可以看出，当抛射角度θ≥38°时，飞网可以对空间碎片实施捕获。最小捕获距离和最大捕获距离构成的区域是飞网捕获空间碎片的有效区域，即飞网的捕获能力。从图6可以清楚地看出，抛射速度为20m/s时飞网的捕获能力非常有限。图7所示为抛射速度v0=60m/s时，抛射角度与飞网运行距离的关系。可以看出，当抛射角度θ≥43°时，飞网可以对空间碎片实施捕获，且与v0=20m/s时相比，飞网的捕获能力明显增强。分析图6和图7可以发现，随着抛射速度的增加，抛射角度的范围呈小幅度递减趋势；当抛射速度确定时，随着抛射角度的增大，飞网的运行距离缩短，但飞网的捕获能力无明显变化。

3.2抛射速度与飞网捕获能力的关系同样利用EXCEL软件得到抛射速度与飞网捕获能力的关系。图8所示为抛射角度θ=38°时，抛射速度与飞网运行距离的关系。此时飞网的抛射速度可以选择的范围是v0∈[1,28]m/s。图9所示为抛射角度θ=60°时，抛射速度与飞网运行距离的关系。此时飞网的抛射速度可以选择的范围是v0∈[1,126]m/s。由图8和图9可以发现，随着抛射角度的增加，抛射速度可以选择的范围也不断增大；而当抛射角度确定时，随着抛射速度的增大，飞网的总运行距离以及飞网的捕获能力都在增加。

3.3飞网捕获轨迹根据飞网的捕获模型，利用MATLAB软件仿真其运行过程，可以更加直观地显示飞网捕获空间碎片的运行轨迹。本文分别以v0=20m/s、θ=45°，v0=20m/s、θ=60°，v0=50m/s、θ=45°三种情形为例，仿真飞网从抛射展开到完成捕获的整个运动过程，分别如图10、图11、图12所示。其中各图中的图(a)均表示三维坐标系中4个质量块牵引飞网的运行轨迹，图(b)均表示二维坐标系中1个质量块的运行轨迹。根据上述MATLAB仿真结果可知，随着抛射角度的增大，飞网总运行距离在缩短，而飞网的捕获能力无明显变化；随着抛射速度的增大，飞网总运行距离和飞网的捕获能力都在增加。

4结束语

本文研究分析了不同抛射角度和抛射速度对飞网捕获能力的影响，从EXCEL和MATLAB仿真结果都可以看出：随着抛射角度的增大，飞网总运行距离在缩短，而飞网的捕获能力无明显变化；随着抛射速度的增大，飞网总运行距离和飞网的捕获能力都在增加。然而在EXCEL计算结果中，我们还可以根据抛射时空间碎片的大小及其与飞网间的距离，选择合适的抛射角度和抛射速度，以获得对空间碎片的最佳捕获效果。

作者：贾杰王艺单位：南昌航空大学信息工程学院