柔性绳网动力学建模与天地差异性分析

采用有限元模型研究了柔性绳网系统的动力学特性。针对空间绳网直接弹射展开方式,首先将绳网离散为若干单元,各单元处理为非线性“半阻尼弹簧”模型,然后分别计算各单元所受气动力和重力,最终建立绳网系统多柔体动力学模型。基于所建立的动力学模型分别对柔性绳网在地面和太空展开的动力学过程进行了仿真分析,研究了绳网在展开面积、空间位形和飞行距离等方面的天地差异性及其动力学机理,为未来空间绳网系统的分析设计提供理论参考。     

空间绳网捕获性能及误差影响分析

针对空间绳网的抓捕过程,确定了抓捕成功的评价标准,研究了多种非理想因素对绳网抓捕过程的影响。使用弹簧质点法建立了绳网的动力学模型,并建立了计入摩擦力的绳网碰撞动力学模型。以绳网边长为度量确定了抓捕目标的理论极限包络。提出了理想工况和非理想工况下界定绳网抓捕成功的判据,并重点研究了发射速度误差、发射同步性和抽出阻力差异对绳网抓捕性能的影响。结果表明:以展开率80%作为抓捕成功的界定标准过于严格,空间绳网具有较高的抓捕容错能力。     

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。     

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。     

空间绳网旋转展开动力学分析

针对火工装置直接抛射展开空间绳网方案存在的对卫星平台冲击大、绳网展开后网体构型维持时间短的问题，提出一种基于周置可控旋筒的旋转展开空间绳网系统方案。构建了基于拉格朗日动力学方程的网臂旋转展开解析模型和基于中心差分算法的网臂/网体的旋转展开有限元(FE)仿真模型，并将上述三种模型进行了对比校验。采用解析模型和有限元仿真模型分别对网臂旋转展开过程进行分析，得到的旋筒角速度和网臂旋出长度表现出高度的一致性，说明了仿真模型构建方法的有效性。基于网体有限元仿真模型，对绳网网型、展开控制策略进行了优化，使得在优化的网型和分步加载控制策略下，绳网展开后可在较长时间内维持较大的有效抓捕面积。     

空间绳网有控展开方法及优化

针对影响空间绳网展开性能的绳网回弹现象，提出了一种基于拖曳绳张力控制的绳网展开控制方法。首先，使用质心追逐描述绳网的回弹现象，并针对追逐过程提出了使用拖曳绳控制的绳网展开方法。其次，以有效展开位移为优化目标，提出了一种基于遗传算法的最佳控制力优化策略。最后，基于弹簧质点法建立了绳网的动力学模型，并通过数值仿真对比了无控、恒力和变力控制下绳网的展开性能。结果表明，控制力优化策略可以成功优化出所需控制力曲线，提出的有控展开方法可以大幅提高绳网的有效展开位移，提升绳网的展开性能。     

自主机动空间绳网机器人设计与动力学建模

设计了一种新型“平台+绳系+柔性网+自主机动单元”结构的空间机器人系统,较强的机动能力和较大的任务范围使其在空间垃圾清理任务中具有显著的优势。详细描述了自主机动空间绳网机器人的概念、任务过程和特点。为了分析自主机动空间绳网机器人逼近目标过程开始时柔性网网型的变化趋势,采用质量集中法建立了逼近过程的动力学模型,模型中将柔性网离散化为无质量弹性杆和质点的集合,同时考虑了自主控制力的作用。在不同条件下对逼近过程中的网型变化进行了数字仿真,仿真结果表明：逼近过程开始时,自主机动单元无控状态下柔性网将产生收口运动,且收口运动的强弱与自主机动单元和柔性网的初速有关;逼近轨迹也将偏离目标方向。通过自主机动单元的自主控制力能够避免收口运动和逼近方向偏移的产生。     

环柱式天线展开过程耦合动力学分析

针对环柱式天线展开过程中斜拉绳索释放运动与桁架展开运动之间耦合动力学分析困难的问题,采用非线性欧拉梁单元对斜拉绳索建模,基于几何精确梁理论对环形桁架建模,提出了环柱式天线多体系统模型,实现了结构展开过程中绳索释放与桁架展开耦合动力学的精准仿真,揭示了绳索柔性等因素对桁架伸展起阻碍作用的机理。仿真结果表明,在环柱式天线展开过程中,减小绳索模量,降低绳索直径,采用单绳索分布设计,有利于提高桁架的展开稳定性。另外,绳索柔性对桁架展开中间阶段影响最为显著。该分析结果为环柱式天线在轨展开动力学预示和优化设计提供了指导作用。     

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。     

空间绳网多收口质量块收口过程动力学分析

针对空间绳网捕获应用,进行了多收口质量块收口过程的动力学分析。以一种自适应双卷筒卷取机构为研究对象,考虑包含有三个质量块的收口系统,通过建立收口质量块质点运动微分方程、收口绳长约束方程并利用非正交变换方法,给出了各收口质量块质心运动与缆绳卷取运动耦合的动力学模型,仿真分析了质量块平动发射和系统自旋发射等典型收口过程的运动特点,给出了一些收口过程的驱动控制策略,同时也说明此类自适应收口质量块具有较强的自适应性和容错性,适用于空间绳网捕获系统。另外,以上分析也适用于采用缆绳控制的绳系卫星编队系统。