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。     

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。     

PIB模型在空间碎片环境建模中的运用

运用“箱中粒子”模型（PIB）对空间碎片环境的演变趋势进行了研究。首先介绍了PIB半解析性的模型：在建模过程中，把空间碎片的运动视为在一巨大箱体中任意运动的粒子，有其自身输入输出机制；随后，对近地轨道碎片环境进行多层多种类碎片的划分，在此基础上将PIB模型运用于近地轨道环境中，建立多层，分类PIB模型；利用国外文献中的观测资料进行仿真，对未来空间碎片环境的演变作出了预测。     

复合材料层合板雷击烧蚀损伤模拟

 为解决复合材料层合板的雷击烧蚀问题,通过复合材料层合板雷电流烧蚀的热-电-结构耦合分析,建立复合材料层合板烧蚀的三维有限元模型。利用删除单元法模拟复合材料层合板在不同脉冲波形雷电流作用下的冲击响应,进行复合材料层合板雷击损伤机理和损伤模式分析,得出了复合材料层合板在不同脉冲波形和峰值雷电流作用下的瞬态热传递和热烧蚀规律。分析了不同雷电流参数对烧蚀结果的影响。结果表明峰值电流、放电量和比能对复合材料层合板的烧蚀尺寸和内部损伤产生很大的影响。     

不同喷铝参数对复合材料雷击防护性能模拟

为了研究复合材料不同的雷击防护(lightning strike protection,LSP)系统在雷电流作用下的损伤规律,对雷击损伤过程和烧蚀机理进行分析,建立复合材料层合板雷击防护的能量平衡数学模型。在此基础上,在ABAQUS中建立复合材料基准件、全喷铝和局部喷铝防护系统的碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforced polymer,CFRP)层合板电-热耦合有限元模型,和实验结果对比验证模型的有效性,对雷击烧蚀损伤特征进行分析,并引入雷击烧蚀损伤指数DI,得出三种不同模型在不同铝涂层厚度、不同峰值雷电流作用下的烧蚀损伤规律,并对两种不同的局部喷铝防护系统下复合材料的损伤特征进行对比分析。结果表明:雷击防护系统下复合材料的烧蚀损伤面积和铝涂层厚度关系进行函数拟合,两者均满足幂函数关系。     

固体火箭发动机喉衬用轴编C/C复合材料的烧蚀及热结构特性研究进展

固体火箭发动机喉衬用轴编C/C复合材料的工作环境面临高温、高压、高速燃气流和大量凝聚相颗粒的烧蚀和冲刷,对材料的抗烧蚀性能和热结构特性要求十分严格。因此,从烧蚀实验和热结构特性实验研究、热结构特性预测与气体-颗粒两相流数值模拟三个方面,论述了轴编C/C复合材料的烧蚀及热结构特性研究进展。总结讨论了实现真实烧蚀工作环境的模拟和影响烧蚀实验参数的控制是高温烧蚀实验的难点,对于铝颗粒添加下工况的烧蚀实验和在细观尺度下热结构特性参数的测定实验是重点;提出从实验件类型、实验系统设计和对比有无铝颗粒添加下的工况进行烧蚀实验;提出采用一种热稳定性材料取代界面的实验方案进行热结构特性参数的测定实验。在热结构特性研究的细观尺度方面,组分材料之间的界面对热结构特性的影响有待深入研究,提出在代表性体积单元模型的基础上引入温度的周期性边界条件来实现热结构参数的预测。在气粒两相流数值模拟方面,发动机内不同相之间相互耦合作用以及对轴编C/C复合材料的机械侵蚀是数值模拟研究的难点,提出使用SDPH-FVM耦合的方法去解决内流场燃烧流动的问题,进一步可用来揭示内流场燃烧流动机理。     

大型分段装药发动机绝热环烧蚀特性实验研究

为了研究大型分段装药发动机绝热环限燃层的烧蚀规律和特性,针对典型发动机开展了不同时刻和限燃层高度条件下三维两相流场的数值模拟,进行了限燃层表面烧蚀环境的特征分析和烧蚀状态参数提取,设计并研制了地面模拟烧蚀实验装置,开展了不同颗粒冲刷状态条件对限燃层烧蚀影响规律的实验研究,并采用扫描电镜分析了限燃层迎风面和背壁面炭化层的微观形貌。研究结果表明:(1)大型分段装药发动机流道中不同位置处绝热环限燃层表面的两相流冲刷状态不同,由于绝热环在流道中的阻碍作用,其表面形成了一种颗粒聚集浓度较低、冲刷速度较高而气相速度较低的烧蚀环境;(2)地面模拟实验结果表明绝热环限燃层的炭化烧蚀率随颗粒冲刷速度增加而增加,且增加幅度逐渐变大;(3)实验后限燃层的核心冲刷区域表面无炭化层残留,其烧蚀模式由机械剥蚀破坏效应主导。     

烧蚀后C-SiC复合材料隔离段内激波串长度预测

为了研究畸变气流影响下烧蚀后的C-SiC复合材料隔离段内激波串长度预测问题,设计了能够模拟进气道喉道流场畸变的隔离段直连台,并开展了马赫数2.5和3.5来流的两种不同烧蚀程度的C-SiC复合材料隔离段直连实验,获得了有效的纹影和压力数据,结合实验和理论分析,采用无量纲不平度hs/Dhy来表征烧蚀后C-SiC隔离段内壁面严重不规则粗糙特征,尝试在Waltrup公式中增加包含无量纲不平度的因子(1+4hs/Dhy),以此形成新的公式来预测烧蚀后C-SiC隔离段内激波串长度,预测精度较原来公式大幅提高,按照10%的误差带分析,修正后的Waltrup公式预测精度提高了33.3%。     

烧蚀反应动力学参数的确定

本文提出了一种理论模型与实验相结合确定碳基材料烧蚀反应动力学参数(活化能和指前因子)的方法。首先建立了碳基材料热化学烧蚀的湍流边界层模型,运用数值方法对边界层守恒方程组、表面烧蚀和固相热传导进行耦合求解,计算过程中不需要事先假设烧蚀的控制类型。其次,在电弧加热器中模拟火箭发动机喷喉的烧蚀环境进行烧蚀材料与氧化性气体反应的烧蚀实验。最后,运用所建立的模型和在电弧加热器上的实验结果进行预测比较,确定烧蚀反应的动力学参数。作为实例,确定了石墨与CO_2的烧蚀反应的动力学参数。     

碳毡/碳喷管喉衬的烧蚀形貌观察

碳毡/碳复合材料喷管喉衬,经地面试车考核,其的抗热震能力明显优于单纯石墨。但也存在一些问题:烧蚀型面不均匀、不光滑,在进气段和喉部有大小不一、分布不均的孔洞,在下游段有冲刷流痕和沟槽。这除了与流场的分布有关外,还与材质的显微结构有关。 本文叙述了碳毡/碳喷管喉衬的烧蚀以及该材料解剖样品在扫描电镜观察下的烧蚀形貌。观察结果表明:(1)CVD碳管中的纤维碳容易氧化,烧蚀往往从纤维碳和基质碳的结合面     

Space Debris Reentry Analysis Methods and Tools

The reentry of uncontrolled spacecraft may be broken into many pieces of debris at an altitude in the range of 75-85 km. The surviving fragments could pose great hazard and risk to ground and people. In recent years, methods and tools for predicting and analyzing debris reentry and ground risk assessment have been studied and developed in National Aeronautics and Space Ad-ministration (NASA), European Space Agency (ESA) and other organizations, including the group of the present authors. This paper reviews the current progress on this topic of debris reentry briefly. We outline the Monte Carlo method for uncertainty analysis, breakup prediction, and parameters affecting survivability of debris. The existing analysis tools can be classified into two categories, i.e. the object-oriented and the spacecraft-oriented methods, the latter being more accurate than the first one. The past object-oriented tools include objects of only simple shapes. For more realistic simulation, here we present an object-oriented tool debris reentry and ablation prediction system (DRAPS) developed by the present authors, which introduces new object shapes to 15 types, as well as 51 predefined motions and relevant aerodynamic and aerothermal models. The aerodynamic and aerothermal models in DRAPS are validated using direct simulation Monte Carlo (DSMC) method.     

再入飞行器烧蚀热防护一体化计算方法

针对再入飞行器烧蚀热防护系统烧蚀与瞬态温度耦合响应预测问题,提出了一体化计算方法,为再入飞行器烧蚀热防护设计提供包括气动热、烧蚀后退、瞬态温度响应在内的动态响应预测依据。该方法采用Sutton-Graves和Tauber-Sutton理论计算驻点的对流热流和辐射热流,通过表面能量平衡整合具有较高精度的烧蚀模型,并通过Landau变换简化烧蚀后退带来的节点删除过程并保证空间离散精度,最后求解瞬态有限差分热传导方程获得烧蚀热防护系统的热环境、烧蚀过程和温度响应。通过对比计算碳-碳材料钝头体地球再入过程和酚醛浸渍基碳烧蚀体（PICA）材料电弧风洞烧蚀模拟,对该方法对于不同材料体系的适用性进行了验证。计算结果表明：对于密度较高的碳-碳材料,本文计算结果与经典的热平衡积分法吻合较好,偏差在7%以内;而对于低密度材料（如烧蚀性能对压力高度敏感的PICA材料）,随着热流和压力的增大,预测偏差逐渐增大。所提出的方法实现了气动热、烧蚀、瞬态温度响应耦合过程的一体化计算,在保证精度的前提下实现快速计算分析,为再入飞行器烧蚀热防护设计提供依据。     

基于再入轨迹和气动热环境的返回舱烧蚀研究

针对再入全过程合理预测热防护罩表面材料烧蚀深度和温度的动态变化问题,提出融合再入轨迹、气动热以及Newton-Raphson和三对角矩阵算法（TDMA）构建动态烧蚀的方法。该方法建立直入式和跳跃式三自由度再入轨迹,应用修正的牛顿流体理论估算气动参数,以及修正的Fay-Riddell和Sutton-Grave理论计算驻点区域的热流密度,利用一维非线性热传导方程模拟了热防护材料的烧蚀过程。仿真结果表明：此方法实现了再入全过程热防护材料烧蚀深度和温度连续动态变化的预测,同样适用于更为复杂结构飞行器的动态烧蚀预测,与热平衡积分法（HBI）相比其结果可靠合理,为进一步优化热防护系统（TPS）提供了一定的参考依据。     

基于再入轨迹和气动热环境的返回舱烧蚀研究简

 针对再入全过程合理预测热防护罩表面材料烧蚀深度和温度的动态变化问题,提出融合再入轨迹、气动热以及Newton-Raphson和三对角矩阵算法（TDMA）构建动态烧蚀的方法。该方法建立直入式和跳跃式三自由度再入轨迹,应用修正的牛顿流体理论估算气动参数,以及修正的Fay-Riddell和Sutton-Grave理论计算驻点区域的热流密度,利用一维非线性热传导方程模拟了热防护材料的烧蚀过程。仿真结果表明：此方法实现了再入全过程热防护材料烧蚀深度和温度连续动态变化的预测,同样适用于更为复杂结构飞行器的动态烧蚀预测,与热平衡积分法（HBI）相比其结果可靠合理,为进一步优化热防护系统（TPS）提供了一定的参考依据。     

基于动力学模型的再入弹道估计方法研究

对再入飞行器进行跟踪,获取目标弹道的精确估计具有十分重要的现实意义。飞行器在再入段的弹道可用较为精确的动力学模型描述,并利用UKF对目标的弹道进行估计,与3RR.几何法解算结果进行比对。仿真结果表明,对于弹道式再入飞行器,基于BRV-Exp模型的弹道估计精度比3RR.法具有明显改善;对于机动式再入飞行器,基于MRV-Wiener模型的估计精度只是略微优于3RR.法的弹道估计精度。     

航天飞机再入航迹初步设计的一种计算方法

本文给出一种由航天飞机质心位置和飞行速度随高度的变化值计算再入航迹其它运动参数的方法。用美国“哥伦比亚”号航天飞机轨道器的飞行数据验算表明,该方法不失为一种可供再入航迹初步设计中选用的简便算法。     

精确轨道航天器的姿态机动策略选择

航天器姿态控制一直是地面飞控的核心,尤其对于有精确轨道控制要求的航天器,姿态控制的策略选择直接关系任务成败。探月三期月地高速再入返回任务对再入角有着严格要求,为了实现返回器高精度再入,在系统介绍服务舱的姿态控制模式、控制方法和控制流程的基础上,提出了利用修改相平面参数和轮控调姿,以建立轨控姿态,从而减少姿控喷气,并提高轨控精度的方法。飞行结果表明,中途修正的控制精度从最初的分米量级提高至0.009m/s。高精度轨道控制使得提前32h再入角控制精度达到0.024°,较设计指标提高1个数量级。文中提及的轮控调姿方法可作为未来深空探测任务姿态控制的设计参考。     

轨迹／飞行器总体参数的一体化优化方法研究

基于飞行力学、最优控制理论、最优化方法，采用两种轨迹／飞行器总体参数的一体化优化方法－－静态＋动态一体化优化方法和参数最优化方法，研究载人飞船再入的轨迹／总体参数的优化，并比较了两种一体化优化方法的不同特点。通过数字计算，得到飞船的最优滚转程序、升阻比，再入角和再人终端时间。结果分析表明，两种一体化优化方法有得到较高精度。     

Capture and detumbling control for active debris removal by a dual-arm space robot

Active debris removal (ADR) technology is an effective approach to remediate the proliferation of space debris, which seriously threatens the operational safety of orbital spacecraft. This study aims to design a controller for a dual-arm space robot to capture tumbling debris, including capture control and detumbling control. Typical space debris is considered as a non-cooperative target, which has no specific capture points and unknown dynamic parameters. Compliant clamping control and the adaptive backstepping-based prescribed trajectory tracking control (PTTC) method are proposed in this paper. First, the differential geometry theory is utilized to establish the constraint equations, the dynamic model of the chaser-target system is obtained by applying the Hamilton variational principle, and the compliance clamping controller is further designed to capture the non-cooperative target without contact force feedback. Next, in the post-capture phase, an adaptive backstepping-based PTTC is proposed to detumble the combined spacecraft in the presence of model uncertainties. Finally, numerical simulations are carried out to validate the feasibility of the proposed capture and detumbling control method. Simulation results indicate that the target detumbling achieved by the PTTC method can reduce propellant consumption by up to 24.11%.     

Competing effects of surface catalysis and ablation in hypersonic reentry aerothermodynamic environment

Under hypersonic flow conditions, the complicated gas-graphene interactions including surface catalysis and surface ablation would occur concurrently and intervene together with the thermodynamic response induced by spacecraft reentry. In this work, the competing effects of surface heterogeneous catalytic recombination and ablation characteristics at elevated temperatures are investigated using the Reactive Molecular Dynamics (RMD) simulation method. A Gas-Surface Interaction (GSI) model is established to simulate the collisions of hyper-enthalpy atomic oxygen on graphene films in the temperature range of 500–2500 K. A critical temperature T_c around 900 K is identified to distinguish the graphene responses into two parts: at T < T_c, the heterogeneous surface catalysis dominates, while the surface ablation plays a leading role at T > T_c. Contradicting to the traditional Arrhenius expression that the recombination coefficient increases with the increase of surface temperature, the value is found to be relatively uniform at T < T_c but declines sharply as the surface temperature increases further due to the competing ablation effect. The occurrence of surface ablation decreases the amounts of active sites on the graphene surface for oxygen adsorption, leading to reduced recombination coefficient from both Langmuir-Hinshelwood (L-H) and Eley-Rideal (E-R) mechanisms. It suggests that the traditional Computational Fluid Dynamics (CFD) simulation method, which relies on the Arrhenius-type catalysis model, would result in large discrepancies in predicting aerodynamic heat for carbon-based materials during reentry into strong aerodynamic thermal environment.