空间飞网捕获机器人系统时变惯量姿态动力学研究

空间飞网捕获机器人系统提供了一种新的以柔性飞网为作业方式的在轨捕获模式,其捕获过程当中系统姿态动力学与普通航天器相比有较大的不同,主要表现在飞网抛射及捕获过程中系统质量特性不断发生变化,使得该系统姿态动力学呈现出丰富的特性.详细研究了飞网捕获机器人捕获前后二维轨道平面内的姿态动力学模型,在考虑重力梯度力矩的情况下建立了飞网抛射及捕获过程当中系统的惯量时变姿态动力学模型,并根据不同的初始条件完成了数值仿真.仿真结果说明在飞网抛射及目标捕获过程中系统会发生明显的面内天平动.该文的研究结果为后继飞网捕获过程当中的姿态协调控制及射网路径规划的研究提供了理论支撑.     

空间飞网抛射展开动力学建模与仿真

空间飞网是由轻质绳索编织的在轨展开网状物体,主要用于在轨捕获。作为在轨服务的 关键技术之一,飞网捕获技术受到国际空间技术领域越来越广泛的关注。当前国际上空间飞 网的展开方式主要有三种：旋转展开、刚性构件支撑展开和直接抛射展开。其中,直接抛射 展开方式的发射装置结构最为简单,但飞网的动力学行为最为复杂。本文针对飞网直接抛射 展开的动力学过程,建立了正方形绳网、牵引质量块和发射器机构的力学模型,提出了飞网 抛射效果的衡量标准,分析了影响飞网抛射效果的主要因素。为了分析飞网展开过程,建立 了正方形空间飞网运动的解析模型;应用绝对节点坐标方法建立了正方形空间飞网的有限元 模型,并在软件THUsolver上进行了数值仿真。本文选取多种不同工况,应用上述两类模型 进行计算和仿真,并分析结果数据,得到主要因素对空间飞网抛射效果的影响。两类模型所 得定性结论相一致。
     

空间飞网系统抛射参数优化研究

空间飞网由轻质绳索编织、通过抛射展开形成一定构型网,作为在轨服务的关键技术之一,在空间在轨服务、飞行器回收、轨道清理、空间拦截等领域具有巨大的应用潜力。本文采用ABAQUS建立不同折叠方式松弛飞网有限元模型并进行动力学仿真,提出了飞网展开效果衡量标准,比较了折叠方式对飞网展开性能参数的影响,对飞网的抛射参数：牵引质量块质量、抛射角度、抛射速度进行了优化设计。仿真表明,折叠方式的优劣是飞网有效展开的关键;在给定的参数范围内,得到了飞网抛射参数的最优值。     

空间柔性绳网多碎片捕获动力学研究

随着空间碎片数量的增加，其对近地轨道中的在轨卫星产生越来越严重的威胁，空间多碎片的高效清理在近年来也成为了学界关注的热点问题。针对柔性绳网在一次任务中同时对多个碎片进行捕获清理的问题，建立了柔性绳网的动力学模型和与碎片接触动力学模型，并对捕获过程中柔性绳网与碎片的运动进行了仿真模拟。针对绳网的最大拉伸力、质量块位移速度等变量，深入分析捕获过程中绳网与碎片的运动特性。数值仿真结果表明，在一次任务中，柔性绳网可以对多个旋转空间碎片进行捕获，并实现稳定的包裹缠绕，展示了柔性绳网良好的捕获能力。     

空间碎片软捕获姿轨控模型构建与仿真

为构建利用柔性机械臂捕获空间碎片的系统仿真模型,首先分析梳理空间碎片捕获典型任务流程,包括轨道转移、位置保持、路径规划、动量稳定控制等阶段;然后针对任务流程分别搭建基于Simu Link的路径规划、动量缓冲控制、姿态控制、动力学和轨道仿真等子系统;各个子系统之间以TCP/IP的方式进行数据交互,最终完成空间碎片软捕获任务姿轨控仿真系统的构建。     

空间抓捕系统绳网的设计与研制

概述了空间碎片主动清除方式——空间绳网抓捕的优点,梳理了研制空间绳网要解决的难题,结合工程样机研制,介绍了针对捕获目标直径20 m的特大型绳网的结构设计、材料选择、加工方式以及折叠包装研究情况,确定了较优构型绳网-正六边形网型正四边形网目,选取了合适的绳网材料,解决了超细绳网状结构编织问题和可控折叠包装问题;对绳网的拉出展开过程进行了仿真分析,开展了地面抓捕试验验证,绳网均有序拉出展开捕获目标,通过仿真分析及实物试验对比,特大型绳网的设计、折叠包装方式、拉出展开得到了验证;总结了特大型绳网研究成果和后续改进方向,为工程应用奠定了基础,可为空间碎片柔性捕获清除的研究提供参考和借鉴。     

飞片参数与玻璃撞击损伤特征关系的研究

为考察空间碎片对航天器光学材料的影响,将光学材料撞击损伤与具体撞击碎片相对应,采用激光驱动飞片技术进行空间碎片地面模拟。设计了能形成速度可控的具体撞击碎片的激光驱动飞片装置,针对空间碎片不同速度和形态,通过改变激光能量和光束直径获得具有不同速度和长径比的飞片。研究了石英玻璃撞击损伤特征与飞片速度、长径比等参数的对应关系。结果发现:随着激光能量的增加,飞片速度的增加,撞击坑的损伤面积和坑深表现为先增大后减小;随着飞片长径比的减小,主要撞击损伤特征逐渐由侵彻成坑转变为溅射污染。通过碎片群平均参数改进为具体碎片参数,提高了地面模拟的有效性,利于高通量空间碎片环境中材料服役行为评价的研究,对空间碎片地面模拟技术和撞击损伤效应有一定的参考价值。     

空间绳网系统发射动力学问题研究

空间绳网系统是在系绳技术基础上发展起来的一种应用系统,通过展开形成一张具有稳定构型的网,可用于空间目标的柔性容错捕获,在空间废弃卫星或碎片处理方面具有潜在应用价值。空间绳网系统动力学问题较为复杂,融合了刚体动力学、柔性绳索动力学和碰撞与摩擦动力学等方法和模型。通过建立空间绳网系统刚柔耦合动力学模型,研究了其发射展开的动力学问题,重点讨论了绳网牵引质量块发射角度和柔性绳索等效阻尼的影响,仿真结果表明在一定的系统配置下这两个参数存在最优值。
     

采用超声波电机的空间飞网自适应收口机构设计

介绍了一种采用超声波电机作为驱动源的空间飞网自适应收口机构（质量块）的设计及实现方法。通过分析捕获过程中质量块运动情况,研究超声波电机电流与负载的关系,确定以加速度信号和电流信号作为电机启动和停止的触发信号,在此基础上设计并实现了质量块的驱动控制系统。通过在电机输出轴与卷筒间加入差动轮系构成双卷筒机构,力学分析证实了该机构在负载不均衡情况下的自适应性。分析证明该机构使飞网的捕获操作对捕获平台的精度要求降低,有容错能力。同时使收口机构在部分质量块故障时也能完成捕获任务。     

激光驱动微小碎片对石英玻璃撞击损伤效应试验研究

空间碎片撞击对航天器表面材料性能具有很重要的影响。文章从碎片对材料撞击作用角度出发,使用激光驱动飞片技术对光学玻璃进行了撞击试验研究。为了便于对撞击损伤机理的研究和效应评价,开展了单次撞击试验和多次撞击试验,并对这些试验进行了测试分析。试验表明:高速飞片与撞击靶损伤处有很好的对应关系,且高速飞片撞击对石英玻璃表面造成了损伤结构,进而导致光透过率下降。     

拦截高速目标的比例与反比例导引捕获区分析

针对拦截高速目标的作战特点，分析了比例导引(PN)与反比例导引(RPN)的捕获区。首先，通过分析拦截弹与目标的相对运动关系，推导得到了顺轨和逆轨的零控拦截条件，此条件由目标和拦截弹的速度前置角以及二者速度比确定；其次，以拦截弹和目标速度前置角为坐标系，推导得到了PN以及RPN捕获区以及各自导航比设置范围。PN的捕获区由逆轨零控拦截条件以及与其相切且斜率为1/(N-1)的两条直线构成，RPN的捕获区由顺轨零控拦截条件以及与其相切且斜率为1/(-N-1)的两条直线构成；然后，利用函数对称性将PN与RPN捕获区转换到同一坐标区间，得到了相同条件下RPN捕获区要大于PN捕获区的结论；最后，开展了四种情形下的仿真，验证了本文捕获区分析的合理性及有效性。     

基于定力撕裂带的绳网网型控制研究

针对柔性绳网空间碎片主动清除技术中的绳网回弹问题，提出一种基于“定力撕裂带”的网型控制方法，在绳网边线绳上加装定力撕裂带以抑制绳网的回弹运动。将绳网离散化后，建立描述绳网运动的集中质量模型，然后结合定力撕裂带的力学特性，运用虚功率原理推导了系统动力学方程。通过仿真计算，本文对比分析了加装和不加装定力撕裂带两种模式，以及不同撕裂力强度的绳网运动特性。仿真结果表明，该控制方法能够有效地提升绳网的有效工作时间和有效工作距离，可应用于未来的空间柔性捕获任务。     

二级轻气炮模拟空间碎片 超高速碰撞试验技术

二级轻气炮是用来模拟空间碎片超高速碰撞效应的重要设备。文章首先介绍了目前二级轻气炮国内外的发展的概况;阐述了其工作原理及所使用的工作气体和试验用品;然后讨论了影响二级轻气炮性能的初始注气压力、活塞速度、弹丸释放压力、活塞质量、弹丸质量等若干参量;最后对反映二级轻气炮性能的重要指标弹丸出口速度和动态碰撞角的测试技术和方法进行了分析。     

一种新型空间对接抓捕机构的设计与分析

文章设计一种新型抓捕机构,不仅具有结构简单、末端速度可控等优点,而且可减小两卫星抓捕过程中产生的碰撞力。基于抓捕机构的工作原理,使用CATIA软件建立了三维模型,并运用ADAMS仿真软件进行仿真分析,得到其运动规律和动力学曲线;使用ABAQUS有限元软件对抓捕机构中的软轴进行受力分析。仿真与有限元分析结果表明:与美国ASDS-Ⅱ相比,该机构的角度容差更大,更容易实现对卫星的捕获。     

球形弹丸超高速斜撞击薄板的碎片云和侵彻特征仿真分析

低地球轨道航天器易受到微流星体及空间碎片的超高速撞击。相较于正撞击,斜撞击现象更加普遍、更具研究价值。文章采用Autodyn-3D数值模拟软件,利用光滑粒子流体动力学（smooth particle hydrodynamics, SPH）方法,模拟Al2017-T4球形弹丸超高速斜撞击Al2A12薄板的过程,开展弹丸撞击速度为3～6 km/s、撞击角度为0°～60°时的撞击特征仿真分析。结果表明:撞击角度对碎片云形貌与几何尺寸,以及穿孔大小和形状特征有显著影响;当撞击角度为30°～45°时会发生滑弹反溅现象,造成弹丸侵彻能力下降。研究结果可为超高速撞击防护结构的设计和改进提供支持。     

大气层内固体火箭多约束鲁棒三维能量管理制导

针对固体运载火箭大范围精确调节终端约束的要求，提出一种新型的大气层内鲁棒三维能量管理制导方法，通过在线规划侧向速度能力曲线消耗剩余发动机能量。将终端约束表示为关于攻角和速度能力曲线参数的方程组，将闭环制导问题转化为方程组的求解。针对飞行过程中的动压、过载，以及控制变化率等过程约束，构造了攻角和速度能力曲线的可行边界。针对气动系数和发动机参数的不确定性，采用容积卡尔曼滤波器对不确定性进行辨识。仿真结果表明，与模型预测静态规划算法和改进粒子群算法相比，本算法的终端速度调节范围、鲁棒性以及计算效率大幅度提高。     

弹丸速度对超爆轰冲压加速器性能影响

为研究超爆轰模态冲压加速器的推进性能，采用混合的Roe/HLL（Harten, Lax, Van Leer）格式，结合自适应网格加密技术(AMR )与沉浸边界法(IBM )，数值模拟了弹丸速度高于预混可燃气体C-J爆速的冲压加速器流场，揭示了弹丸速度对流场结构与推力的影响。结果表明当弹丸速度在一定范围时，斜爆轰波可驻定在弹丸肩部或头部，在弹丸尾部形成高压区加速弹丸，并且，斜爆轰波驻定在弹丸头部推力更高，稳定工作的速度范围 更宽 。     

压缩氮气驱动的高速气炮实验技术

文章介绍压缩氮气驱动的二级气炮、三级气炮的研制背景、设计技术和发射性能特点,分析活塞质量、弹丸质量、驱动气压和泵管初充气压等发射参数对发射弹速和发射效果的影响,分析了制约提高弹速上限的主要因素,还介绍利用上述二级气炮和三级气炮开展的若干实验研究情况,评估压缩氮气驱动多级气炮的开发应用前景。