基于解体事件的空间碎片轨道演化算法研究

针对航天器解体事件所生成的空间碎片的演化过程,进行了数学分析,确定了新生成的空间碎片的速度增量,在该增量作用下碎片轨道会发生变更,本文根据该增量得出了空间碎片在轨道变更后的轨道根数,分析了在大气阻力摄动作用下,空间碎片的数目和轨道分布的演化情况,给出了相关结果,结果表明此算法可行。     

Cosmos 2421卫星解体事件分析

2008年上半年俄罗斯的Cosmos 2421卫星接连发生了三次不同程度的解体, 并产生了数百颗碎片. 本文利用美国公布的Cosmos 2421卫星及其碎片的两行根数系列, 对三次解体事件发生的时间, 解体碎片的轨道分布、速度分布和面积质量比以及寿命等进行了分析, 并对解体碎片对航天器的影响进行了评估. 分析结果表明, Cosmos2421卫星的三次解体事件分别发生在2008年3月14日、4月28日、6月9日; 解体碎片分布在200~1400 km 的高度范围内; Cosmos 2421卫星解体导致的碎片在空间三个方向上的速度增量均值分别为-8.4m/s, 8.6m/s, -8.3m/s; 67\%的解体碎片的寿命都在1年以内, 解体事件造成500 km以下的空间碎片空间密度增加, 对载人航天器产生了影响. 通过对Cosmos 2421卫星解体事件的分析可以看出, 利用解体碎片的轨道信息可以反演解体事件特性, 根据解体碎片的寿命和空间密度分布的计算结果可以评估解体事件对未来发射活动和在轨卫星的影响.      

在轨航天器撞击解体特性分析与计算

对在轨航天器撞击解体问题进行了研究, 基于NASA 标准解体模型, 给出了在轨航天器撞击解体算法, 重点分析了解体计算时应该满足的几个约束条件. 编写了该算法的通用仿真计算程序, 并通过与P-78 卫星解体事件的实测数据比较验证了算法和程序的正确性. 研究结果对预测分析在轨撞击事件的毁伤特性具有重要的参考价值.      

空间物体解体碎片云的长期演化建模与分析

空间碎片云由空间物体解体产生的大量空间碎片组成,由于其相对集中地分布在有限的空间内,将会对临近航天器产生较大的碰撞威胁。为了分析解体碎片云长期分布特点,文章首先利用数值积分方法对空间碎片云短期分布规律进行了研究;在此基础上,针对处于环状分布的碎片云,根据碎片所在的轨道高度和具有的面质比值,将碎片划分到不同分组,以每个组作为研究对象,建立了描述碎片云在大气阻力作用下的解析演化模型。模型避免了对单个解体碎片的运动状态进行积分,可大大降低对计算资源和计算时间的需求。考虑在高度为1422km 圆轨道上运行的物体,解体产生了1780个碎片,利用解析演化模型得到碎片云未来50年内的演化分布状态。数值结果表明,碎片云的峰值密度在解体物体轨道高度附近,并在大气阻力作用下向更大高度区间内扩散;较低高度区间内碎片密度具有先增加,然后在大气阻力作用下不断减少的特点。     

解体速度增量计算方法研究

解体速度增量是解体事件强度的重要指征, 它决定了解体产生碎片的轨道分布. 通过分析解体速度增量可以推断解体强度, 确定解体形式. 解体速度增量有两种计算方法, 即轨道位置演化法和轨道面相交法. 轨道位置演化法是根据解体前后轨道速度的变化直接得到解体速度增量; 而轨道面相交法是利用母体以及解体碎片的球面三角几何关系, 根据解体碎片的倾角和升交点赤经变化, 以及母体轨道的倾角和近地点辐角, 计算解体时刻母体轨道的真近点角, 从而得到解体的时间和速度增量. 相比来说, 轨道位置演化法适用于数据精度高, 解体高度高情况下的解体事件分析, 而轨道面相交法适用于解体高度低, 碎片数据公布时间较为滞后的解体事件分析. 根据解体速度增量的计算方法及其原理, 对两种方法的适用性进行了比较和讨论, 并选取已经发生的三次解体事件, 利用美国公布的TLE数据, 针对具体情况选择计算方法, 给出了三次解体事件发生的时间和解体碎片在空间三个方向上的速度增量.      

利用大气阻力的横向编队维持控制

研究了航天器在近圆轨道面内横向固定间隔距离内伴飞编队维持问题。基于经典轨道要素偏差法分析了相对运动特性和大气阻力对相对运动的影响。根据利用大气阻力引起的横向相对运动漂移,设计了有利于长期伴飞编队维持的初始半长轴偏差和伴飞边界点的期望半长轴偏差,进一步给出了进行伴飞维持的边界点横向速度脉冲。仿真结果表明,该控制策略进行伴飞编队维持是可行的,维持所需的速度脉冲次数少、速度增量小,且算法简单,有利于航天器自主化实现。     

空间飞行器碎片防护结构的简化设计

给出一种基于实验和理论分析的航天器碎片防护结构简化设计方法 ,该方法可用于进行大型空间飞行器碎片防护结构的方案选择和初步结构设计。利用空间碎片的工程环境模型和防护结构几何经验公式 ,采用“设计碎片”的概念 ,对防护结构进行几何结构设计和质量估算 ,并采用改进的防护性能验证算法进行空间碎片的风险评估。通过对惠式防护结构的计算 ,得到的计算结果基本符合实际要求。     

航天器与空间碎片的混合编队重构控制与应用

针对空间碎片清理问题,提出了一种利用航天器与空间碎片混合编队队形重构控制技术捕获碎片的方法。首先,分析了地/月—日系L2拉格朗日平动点附近的限制性三体环境,并建立了编队卫星相对运动动力学模型;其次,提出了以太阳光压力作为航天器与空间碎片编队队形重构的控制力,实现各从星接近空间碎片的目的;最后,设计了基于线性二次型的最优控制器,并在Matlab/Simulink环境下进行仿真实验。仿真结果表明该方法可控制从星到达期望的位置(空间碎片的位置),且太阳帆板的姿态变化在可控范围内,进而证明了该方案可以应用于复杂空间环境下的碎片清理任务。     

空间碎片预警中的碰撞概率方法研究

由于空间碎片对飞行在地球轨道上的航天器危害日益严重,所以必须采取一些有效的防护措施,对于那些直径大于10 cm的碎片,通常是采用主动规避的方法来进行防护.为了避免传统的Box判据造成的过多错误预警,碰撞概率模型开始被应用于空间碎片预警,本文以空间站为例,将碰撞概率方法与传统Box区域判定法进行比较,介绍碰撞概率计算模型的建立方法,基于位置误差矩阵的碰撞概率Pc的算法,并针对实际交会事例进行了计算和分析.      

远距离轨道接近及绕飞控制技术研究

文章对半长轴、偏心率、倾角、升交点赤经相近的两航天器的远距离轨控接近方案进行了理论分析。首先研究了通过改变轨道半长轴调整航天器升交点赤经变化率,进而控制轨道法向振幅的方法;其次给出控制点的选择时机与相对绕飞椭圆大小的定量关系;然后提出采用径向矢径模之差估计远距离相对运动参数方法;最后通过"神舟七号"伴星与轨道舱的远距离接近及绕飞控制仿真对理论推导进行了验证。     

Faster algorithm of debris cloud orbital character from spacecraft collision breakup

Space debris is polluting the space environment. Collision fragment is its important source. NASA standard breakup model, including size distributions, area-to-mass distributions, and delta velocity distributions, is a statistic experimental model used widely. The general algorithm based on the model is introduced. But this algorithm is difficult when debris quantity is more than hundreds or thousands. So a new faster algorithm for calculating debris cloud orbital lifetime and character from spacecraft collision breakup is presented first. For validating the faster algorithm, USA 193 satellite breakup event is simulated and compared with general algorithm. Contrast result indicates that calculation speed and efficiency of faster algorithm is very good. When debris size is in 0.01–0.05 m, the faster algorithm is almost a hundred times faster than general algorithm. And at the same time, its calculation precision is held well. The difference between corresponding orbital debris ratios from two algorithms is less than 1% generally.     

空间碎片云演变过程的阶段划分

根据碎片云从破碎点开始向空间扩散过程中碎片密度和形状的变化规律,以几何形状和起主要作用的因素为特征,定义了球形、椭球形、绳形、螺旋线形、全方位弥漫直至球壳形六个演变阶段.论述了在各个阶段的主要特征和对演变过程起主要作用的因素.总结了与演变过程相关的轨道运动理论和研究方法,分析了各个阶段演变的动力学原理.在球形阶段起主要作用的是分离速度;椭球形阶段可以利用线性化相对运动方程进行分析;绳形与螺旋线形在几何上有质变,但都有结点和结线,并可以利用速度增量理论分析和解释其存在的原因.轨道摄动力消除了结点和结线,导致碎片云的全方位弥漫,并最终使碎片云趋于球壳形.推导和罗列了各阶段转换标志点时刻的计算公式,利用计算机仿真的方法,给出了近地轨道各个阶段碎片云分布示意图,验证了演变过程阶段划分的合理性.     

Observation campaign dedicated to 1968-081E fragments identification

This paper proposes a comprehensive approach to associate origins of space objects newly discovered during optical surveys in the geostationary region with spacecraft breakup events. A recent study has shown that twelve breakup events would be occurred in the geostationary region. The proposed approach utilizes orbital debris modeling techniques to effectively conduct prediction, detection, and classification of breakup fragments. Two techniques are applied to get probable results for origin identifications. First, we select an observation point where a high detection rate for one breakup event among others can be expected. Second, we associate detected tracklets, which denotes the signals associated with a physical object, with the prediction results according to their angular velocities. The second technique investigates which breakup event a tracklet would belong to, and its probability by using the k-nearest neighbor (k-NN) algorithm.     

基于多项式近似的空间碎片群体轨道预报算法

快速准确地分析空间碎片群轨道演化行为对于其他在轨航天器碰撞规避至关重要。在各摄动力的作用下,空间碎片群演化运动呈现出复杂的非线性特征。空间碎片群体个体数量巨大,如果通过对空间碎片群中每个空间碎片进行轨道积分来分析群体预报的方法会导致计算量过大。针对该问题,提出一种基于多项式近似的轨道快速预报分析方法。该方法将空间碎片群分为少量的标称碎片和其他大量关联碎片。针对标称碎片的轨道预报采用数值积分求解保证预报精度;而针对其他大量的关联碎片轨道预报问题,采用多项式泰勒展开半解析方法求解,从而在保证预报精度的前提下有效减少空间碎片群轨道预报的计算量。为了验证方法的有效性,对不同空间碎片群进行了轨道预报仿真。仿真结果表明,当轨道预报精度设定在1m范围内时,多项式近似算法的计算量较蒙特卡洛方法计算效率提高了2.2~17.2倍,验证了所提出方法的有效性。     

一种低轨废弃目标的捕获与回收方案

如何清除轨道上日益增多的废弃目标已成为国内外航天活动无法回避的现实问题和迫切需解决的问题。针对低轨道大型废弃目标回收问题，基于天基回收技术的概念，提出了一种新型组合式柔性捕获回收方案。使用空间绳网捕获废弃目标后通过充气式增阻离轨方式进行被动离轨，再利用充气式进入减速技术 (inflatable entry decelerator technology, IRDT)进行再入、减速并返回地面。根据方案建立了动力学模型，开展了仿真计算分析。仿真结果表明，该方案技术可行，可用于未来空间目标的捕获和回收。