卫星解体碎片生成数值模拟

提出卫星解体碎片生成的数值模拟方法,对卫星模型解体实验问题进行了数值模拟研究。有限元重构方法是一种有限元与 SPH 方法的结合,能够模拟获得孤立碎片的特性数据。通过在 SPH 模拟结果中重构有限元单元,能够有效区分碎片云中的置信孤立碎片和非置信孤立碎片,结合图论方法能够获得每个孤立碎片的单元构成及其尺寸、速度矢量和质量等信息。进而通过数据统计能够获得碎片分布信息。解体碎片数值模拟数据与实验数据具有较好的一致性,表明了该方法的有效性。     

基于星载可见光相机的空间碎片探测

空间碎片在轨识别与参数辨识为空间轨道预警、航天器规避空间碎片提供了重要依据。文章在轨道相对动力学的基础上,模拟了空间碎片在光学探测过程中的拖尾成像特性;随后,采用 Hough变换对空间碎片尾迹特征.r进行提取与识别,获取碎片方位角信息,通过匹配多帧图像,获取碎片的方位角速度信息。同时,结合激光测距仪的测距信息,获取空间碎片的位置和速度信息;通过数值仿真验证,该方法能够实现对空间碎片探测、识别和定位,因而具有一定的工程应用价值。     

超高速碰撞碎片散布数值分析

基于光滑粒子流体动力学(SPH)方法,对低轨卫星与某空间物体的超高速碰撞问题进行了数值模拟。通过确立航天器轨道高低判定准则及判定方法,分析了碰撞角度、碰撞速度对碰撞碎片散布的影响情况。仿真结果表明,低轨卫星与空间物体碰撞产生的大部分空间碎片所处轨道高度位于原卫星轨道周围;碰撞碎片的散布情况与碰撞方式密切相关,相比于上升式碰撞,下压式碰撞产生的下降碎片个数较多,上升碎片个数较少;低轨卫星与空间物体碰撞产生的空间碎片总数与碰撞相对速度密切相关,碰撞相对速度越大,碎片数量越多;随着碰撞相对速度的增大,上升碎片、下降碎片及双曲碎片的个数逐渐增加;在不改变碰撞总动量数量级的条件下,改变空间物体的速度大小对空间碎片散布的影响并不明显。     

地基激光清除空间碎片过程建模与仿真

 空间碎片对人类航天活动的影响越来越大,用地基高能脉冲激光清除空间碎片被认为是一种可行手段。分析了地基激光清除空间碎片的原理,建立了碎片清除过程轨道动力学模型,通过选取两种典型的ps级和ns级激光器,对空间碎片的清除效果进行了仿真计算。结果表明:对于800 km和1 500 km轨道高度上的某典型空间碎片,两种激光器均不能在其一次过顶将其清除,需多次过顶才能达到清除效果;在进入大气层烧毁前,均需烧蚀一定的质量,而且轨道高度越高,烧蚀质量越多;ps级激光器比ns级激光器具有优势,15 kJ、 10 ns、 2 Hz的ns级激光器清除800 km和1 500 km轨道高度上的碎片所需总能量分别是150 J、1 ps、 65 Hz的ps级激光器的2.95倍和3.31倍。研究结果可为碎片清除方案制定和地基激光器参数选择提供依据。     

一种基于一致性理论的卫星协同自主探测方法

为了提高天基空间碎片探测系统对空间碎片探测能力,研究了一种基于一致性理论的卫星协同自主探测方法,对系统中的卫星进行协同控制,从而实现对空间碎片进行最长时间的持续跟踪探测。探测星座利用招投标机制选取探测效果最好的卫星,空间碎片周围的卫星载荷再利用一致性理论,协同自主地指向空间碎片,以实现探测星座对空间碎片连续跟踪。仿真结果说明了该方法的有效性,1d内探测星座对典型空间碎片的最大连续观测时间由协同前的 6 min提高到了协同后的 39 min,提高了约 5倍,总观测时间由协同前的 1.5 h提高到 13 h,提高了约 8倍。该方法提高了观测效能,可为天基空间碎片探测系统提供一种对空间碎片协同探测的技术途径。     

脉冲雷达凝视模式下低轨碎片相对运动特征分析

脉冲雷达凝视模式是一种探测低轨小碎片的重要方式,其中低轨碎片与雷达的径向运动关系是碎片统计分析的基础.为推算碎片相对雷达的运动特征,基于坐标系的相互转换,先利用雷达测站信息,得到可见碎片在地惯坐标系下的轨道信息;再逆向将目标不同时刻的位置转换至测站坐标系下,得到目标的径向运动特征.在不同要素（雷达波束指向、雷达仰角、测站纬度、目标距离）下,仿真及对比分析了各个参数对速度模糊度、雷达可见性等的影响,得出在凝视模式下目标相对雷达近似做径向匀加速运动,这为后续试验工作提供有力的依据.     

基于超高速碰撞仿真的卫星碰撞解体碎片分析

使用超高速碰撞数值仿真技术,结合自主开发的碎片识别统计方法,以Iridium33与Cosmos2251卫星在轨撞击解体事件为例,进行了在轨卫星碰撞解体碎片分析.通过有限元方法(FEM)与光滑粒子流体动力学(SPH)的复合算法,从图形角度识别出碎片云中的大碎片,然后利用二值图转换与二值图连通域的快速统计,提取出了碎片数目...     

空间碎片再入烧蚀预测与地面安全评估软件系统

再人航天器解体产生的空间碎片在高速气体加热作用下发生烧蚀,残存碎片对地面造成很大威胁.开发空间碎片再入烧蚀预测与地面安全评估软件系统(DRAPS),建立碎片三自由度(3DOF)弹道模型,在连续流,自由分子流和过渡区流分别采用牛顿流模型、无碰撞分子动理论和桥函数方法进行碎片气动力/气动热预测,利用零维或一维热传导模型模拟...     

天基激光清理低轨空间碎片的最佳角度分析与过程设计

针对天基高能脉冲激光清理低轨(LEO)空间碎片的问题,建立了高能脉冲激光清理LEO碎片作用过程和轨道演化的模型,推导了脉冲激光作用碎片的最佳角度与碎片轨道参数的解析关系,证明了最佳角度下的清理效果具有关于碎片轨道主轴对称的特性。以平台飞行时间和激光作用时间综合优化为目标,提出了一种天基激光清理空间碎片过程的简化设计方法,能快速有效地获得清理方案。选取典型的激光器与空间碎片参数进行仿真验证,结果表明:采用最佳作用角度能极大提高激光清理的效果;基于优化设计方法可使得在平台飞行时间仅增长10%情况下激光作用时间减少30%。     

空间碎片防护结构设计优化软件系统总体设计和研制进展

空间碎片防护结构设计优化软件系统(简称防护优化软件系统)是空间碎片防护设计软件包MODAOsT的重组成部分,是我国独立设计开发和拥有自主知识产权的空间碎片防护设计优化软件工具。简介绍该软件系统研制的工程背景、研究目标和技术指标;重点讨论其系统框架结构、主程序流程、主程序模块及其逻辑关系设计,总结该软件系统研制工作进展,并给出初步应用算例;展望相关后续工作和应用发展。     

红外与可见光图像融合的空间碎片识别方法

针对暗弱空间环境中空间碎片的识别问题,提出了一种光照不均匀环境中的空间碎片识别方法。不同于现有识别方案,该方法从光照不均匀导致空间碎片图像源细节丢失造成识别性能下降的角度出发,首先将空间碎片的红外和可见光图像进行深度融合,并建立空间碎片融合图像数据库,然后基于训练样本采用深度学习技术训练得到空间碎片识别模型。算法分析表明,该图像融合方案具有高度的细节保留能力,识别模型具有在暗弱环境中高精度目标识别能力。最后进行了仿真实验,实验结果表明,该识别方案在姿态变化、图像源亮度变化等干扰条件下都具有较好的鲁棒性。     

俄火星探测器“福布斯-土壤”的碎片坠入太平洋

1月15日,俄罗斯军方在一份声明中说,俄罗斯一发射失败的太空探测器＂福布斯-土壤＂当日坠入太平洋,大量燃烧的碎片落入智利南部海岸附近惠灵顿岛以西1250km处的水域。俄罗斯的跟踪设备当时监控了该探测器的坠毁。 这枚1.7亿美元的探测器是迄今坠落到地球的最重、毒性最大的太空垃圾之一,但航天专家们称其造成的危险极低,因为有毒火箭燃料和大部分结构都会在大气层燃烧掉。     

冰粒超高速撞击蜂窝板的数值模拟研究

随着人类航天活动日益增多,空间碎片环境逐渐恶化,对航天器在轨安全运行造成严重威胁,各国学者开展了空间碎片超高速撞击数值模拟研究。目前的研究中一般采用铝弹丸代替空间碎片,但是还有部分空间碎片的密度接近冰的密度,对于冰粒的超高速撞击研究还很少且不透彻。蜂窝板是构成航天器舱壁的主要结构,对航天器内部设备起到保护作用,有必要开展冰粒超高速撞击时对蜂窝板损伤情况的相关研究工作。本文对冰粒超高速撞击蜂窝板开展数值模拟研究,研究冰粒对蜂窝板的损伤情况。研究结果表明,冰粒在一定条件下能够击穿蜂窝板,大量冰粒碎片和蜂窝板碎片将从蜂窝板背面的孔洞中高速冲出,势必对航天器内部设备造成毁伤;在冰粒动能相差不大的情况下,冰粒尺寸和蜂窝板结构将成为影响冰粒撞击效果的主要因素,直径较大的冰粒对蜂窝板的损伤程度较严重。     

内压作用下的航空轮胎爆破碎片动力响应

航空轮胎爆破时受内压释放的影响,爆破碎片的速度会有明显增加,而非与适航标准规定的与轮胎降落时的胎速相同。利用Fluent中用户自定义函数编写动力响应程序,采用动网格和用户自定义函数相结合的方法,展开内压释放作用下的轮胎爆破碎片速度动力响应特性的数值模拟研究。假设轮胎爆破失效是存在先前缺陷造成的,将碎片受冲击后的动态过程分解为内压释放冲击加速阶段和以一定初速度在空气阻力下减速运动两个阶段,提出仅考虑碎片两侧实时压力差作为动力源的简化物理爆破模型,来分析碎片的速度受内压作用的响应和整个流场压力以及速度变化情况,弥补了数学模型未考虑内外压平衡过程的不足,为预测轮胎爆破后碎片获得能量和爆破气流能量等提供数值参考,以便提出相应的安全防范措施。     

基于启发强化学习的大规模ADR任务优化方法

随着航天事业的蓬勃发展,空间碎片尤其是低轨碎片已成为航天任务不可忽视的威胁。考虑到碎片清除的紧迫性和成本,低轨多碎片主动清除（ADR）技术成为缓解现状的必要手段。针对大规模多碎片主动清除任务规划问题,首先,基于任务规划的最大收益模型,提出一种强化学习（RL）优化方法,并依照强化学习框架定义了该问题的状态、动作以及收益函数;其次,基于高效启发因子,提出一种专用的改进蒙特卡罗树搜索（MCTS）算法,该算法使用MCTS算法作为内核,加入高效启发算子以及强化学习迭代过程;最后,在铱星33碎片云的全数据集中检验了所提算法有效性。与相关MCTS变体方法以及贪婪启发算法对比,所提方法能在测试数据集上更高效地获得较优规划结果,较好地平衡了探索与利用。     

航天器无控再入解体非规则碎片散布范围分析研究

针对服役期满大型航天器在无控情况下再入大气层解体过程及再入点难以提前预测,再入解体后生成的碎片可能造成地面伤害等问题,采用基于空间方位角的碎片有限分组策略与飞行姿态角随机统计模拟技术,提出非规则碎片几何分类与质量分布模型及地面散布范围可计算建模方法,结合气动特性当地化快速算法和三自由度弹道方程,建立了空气动力融合弹(轨)道高精度数值积分碎片运动散布范围统计计算方法,初步实现了对航天器无控再入解体碎片的全程跟踪模拟。结果表明:解体点弹道倾角对碎片散布范围影响很大,散布区域整体呈细长条状,纵向达数千公里,横向仅为百余公里,质量越大的碎片航程越远。     

基于仿章鱼软体机器人空间碎片柔性自适应捕获装置的设想

针对空间碎片跨尺度、柔性、自适应捕获的需求,根据任务功能分析及仿生学启示,提出了一种基于仿章鱼充气软体机器人的碎片捕获装置,主要由仿章鱼触手和伸展臂组成,具备远距离可达、末端位姿调整、跨尺度碎片抓捕、目标碎片的测量与识别等能力。捕获装置采用仿章鱼单支链捕获及多支链协同缠绕的方式实现对跨尺度目标的可靠、灵活捕获。捕获触手采用充气软体机器人的机理实现对非结构化碎片的可靠捕获、相容,可实现捕获过程中对碰撞冲击的减缓和能量吸收。伸展臂采用充气驱动的方式展开,具有轻质、大收缩比的特点。触手表面还采用仿壁虎脚趾刚毛实现对碎片的可靠粘附,进一步确保抓取的可靠性。最后通过任务仿真验证了碎片柔性自适应捕获装置的可行性和先进性。     

一种基于雷达波束驻留模式的空间碎片轨道参数估计方法

利用窄波束的单脉冲精密跟踪雷达波束驻留模式进行碎片探测是空间碎片环境统计特征描述的一种重要途径。由于该模式观测弧段极短,且无法获取同一目标的多个弧段,因而利用常规定轨方法难以达到理想的效果。在圆轨道假设下,提出了一种利用波束驻留模式获取的单个极短弧计算碎片轨道高度和倾角的方法。首先利用碎片的距离确定其轨道高度;在此基础上,根据推导出的不同波束指向时碎片的距离变化率与轨道倾角的关系,得出其轨道倾角。该方法对于正南、正东指向的雷达波束驻留模式均适用,其中正南指向时还需利用方位角和仰角数据来区分轨道倾角与补角;但不适用于波束指向天顶的情况。仿真结果验证了方法的有效性。     

典型载人航天器密封舱结构空间碎片高速撞击声发射定位技术研究

空间站等大型载人航天器因体积大、在轨时间长容易受到空间碎片撞击,作为应对措施,人们提出利用空间碎片在轨感知系统实时监测撞击事件,撞击点定位是在轨感知系统的基本任务之一。为此,本文首先测量了加筋板内s0波波速,根据波速变化规律提出名义波速的概念,在此基础上将虚拟波阵面法推广用于载人密封舱结构,实现对空间碎片撞击事件的精确定位。最后,分别进行了碎片云高速撞击周期性加筋板和空间站小柱段舱壁枪击定位试验,试验结果表明:可将密封舱内声发射信号传播速度视为定值即"名义波速",在此基础上虚拟波阵面法可推广用于密封舱结构。     

APU 转子爆破对防火墙影响的研究

APU是安装在民用飞机上的辅助动力装置,是飞机上重要的部件,因此必须考虑APU 转子爆破时小碎片对飞机安全的影响。通过有限元软件LS-DYNA,分别模拟了APU 转子爆破时小碎片对APU 防火墙以及3种不同厚度加强板的冲击计算。根据数值计算结果,选择合适的加强板方案,既能防止防火墙碰撞区被小碎片击穿,同时付出的重量代价又较小。通过对APU 防火墙增加加强板,确保APU 转子爆破时飞机的安全 性,满足AC20-128A 的设计要求。