基于驻留时间比的近地空间碎片环境建模

为分析近地空间碎片的分布规律,提出了一种以碎片在空间网格内驻留时间为基础的碎片环境统计建模方法.该方法利用多项式拟合和求根方法统计碎片在空间网格内的停留时间,获取模型基础数据,并据此采用多项式预测、插值和时间序列分析等技术,综合分析空间碎片的分布与演化规律.给出了一个基于双行根数(TLE,Two Line Elements)数据的建模实例,该实例通过了ORDEM2000模型的对比验证,并获得了一些更精细的近地空间碎片环境特征.所得建模方法和分析结论可为长期运行的近地航天器轨道设计、碰撞风险评估及防护等提供技术支撑.     

对一种利用人造粉尘清除空间碎片新方法的理论分析

近地轨道的空间碎片污染日益严重,目前碎片数量已达到历史最高值并可能引发一系列连锁反应.进行主动碎片清除十分必要.利用粉尘主动清除近地轨道空间碎片是一种主动碎片清除的新方法.本文基于此方法的基本原理进行分析研究,建立了单颗碎片与人造粉尘作用的基本假设和机理模型,并对其作用进行定量计算分析;结合碎片的空间密度分布,对该方法的作用效果进行了定量估算,得出一些基本分析结论,有助于对新方法的客观认识.      

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。     

空间碎片环境模型

空间碎片环境建模就是用数学方法描述空间碎片在三维空间和未来时间的数量、分布、迁移、流动以及碎片的物理特性（如尺寸、质量、密度、反射特性等）。空间碎片环境模型可以分为三类：第一类是确定性的,能逐个测算单个碎片的轨道参数和物理特性;第二类是统计性的,能通...     

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。     

卫星发射对空间碎片环境影响分析

未来航天发射情况直接影响空间碎片环境，必须对其进行合理规划，以维护外空长期可持续发展.利用中国自主建立的空间碎片长期演化模型（SOLEM），结合蒙特卡洛方法，量化分析了空间物体发射数量、发射质量、发射面积等因子对未来空间碎片环境的影响，进一步研究了大型星座造成的未来空间物体碰撞次数和碎片数量的增加.仿真结果可为合理规划未来的航天发射规模提供理论依据.      

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.     

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。     

空间碎片消旋柔性冲击末端设计与分析

根据机械冲击式主动消旋方法的特点,设计了变压力柔性冲击末端.考虑到变压力柔性末端的流固耦合作用,通过分析内部气体压力对末端刚度的影响,确定了压力阈值并展开优化设计.对柔性冲击末端与空间碎片之间的碰撞力进行了理论分析与实验研究,建立了柔性末端与空间碎片碰撞的接触模型,设计了冲击与测量实验系统,修正了摩擦模型,通过冲击实验验证模型与实验结果吻合较好,法向碰撞力和切向摩擦力模型计算误差分别小于6.7%和6.9%.研究表明变压力柔性末端设计合理有效,满足空间碎片消旋要求,对发展空间碎片捕获方法具有重要指导意义.     

卫星规避方案量化分析方法研究

空间碎片数量日益增多,为保护在轨卫星的运行安全,需要针对碎片碰撞制定规避方案,用来规避碰撞风险.本文在调研国外卫星规避机动流程的基础上,分别研究了卫星规避相关的轨道机动方式、轨道预报模型以及交会风险计算模型,建立了卫星规避方案量化分析方法,为规避方案的选择提供参考.      

Characterizing space debris longitude-dependent distribution based on RAAN perturbation rate

The space debris environment is one of the major threats against payloads. Space debris orbital distribution is of great importance for space debris environment modeling. Due to perturbation factors, the Right Ascension of Ascending Node (RAAN) of space objects changes consistently, causing regular rotation of the orbit plane around Earth’s axis. Based on the investigation of the RAAN perturbation rate of concerned objects, this paper proposes a RAAN discretization method in order to present the space debris longitude-dependent distribution. Combined with two line element (TLE) data provided by the US Space Surveillance Network, the estimated value from RAAN discretization method is compared with the real case. The results suggest that using only the initial orbital data at the beginning of the time interval of interest, the RAAN discretization method is able to provide reliable longitude distribution of concerned targets in the next following period. Furthermore, spacecraft cumulative flux against space debris is calculated in this paper. The results suggest that the relevance between spacecraft RAAN setup and flux output is much smaller for LEO targets than MEO targets, which corresponds with the theory analysis. Since the nonspherical perturbation is the major factor for RAAN variation, the RAAN perturbation rate has little connection with the size of orbital objects. In other words, the RAAN discretization method introduced in this paper also applies to space debris of different size range, proposing a possible suggestion for the improvement of space debris environment engineering models.     

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.     

空间碎片环境工程模式参数分析

为了评估空间碎片对航天器造成的危害 ,必须建立空间碎片环境工程模式。文章介绍了空间碎片环境的特点及其工程模式表征方法 ,并比较、分析了几种主要空间碎片环境工程模式的参数 ;从数学建模及风险评估应用的需求出发 ,提出了空间碎片环境工程模式参数的建议方案     

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。     

The ratio of hazardous meteoroids to orbital debris in near-Earth space

Orbital debris is known to pose a substantial threat to Earth-orbiting spacecraft at certain altitudes. For instance, the orbital debris flux near Sun-synchronous altitudes of 600–800 km is particularly high due in part to the 2007 Fengyun-1C anti-satellite test and the 2009 Iridium-Kosmos collision. At other altitudes, however, the orbital debris population is minimal and the primary impactor population is not man-made debris particles but naturally occurring meteoroids. While the spacecraft community has some awareness of the risk posed by debris, there is a common misconception that orbital debris impacts dominate the risk at all locations. In this paper, we present a damage-limited comparison between meteoroids and orbital debris near the Earth for a range of orbital altitude and inclination, using NASA’s latest models for each environment. Overall, orbital debris dominates the impact risk between altitudes of 600 and 1300 km, while meteoroids dominate below 270 km and above 4800 km.     

针对空间碎片捕获的绕飞轨道设计

地球轨道上日益增长的碎片云已引起各个航天国家的担忧,地球轨道上可编目的空间物体数量30多年内增长了2倍多,若不实施主动清除,碎片的数量将在未来200年内快速增长,给空间系统的安全带来极大的威胁。自然椭圆绕飞轨道可在目标附近长时间绕飞,可保证碎片捕获系统具有长时间的观测、捕获时间。文章提出通过设计绕飞轨道来实现捕获碎片的方案,介绍并分别推导了基于C-W方程和轨道根数两种方式绕飞轨道设计的方法。针对假想的捕获目标,基于轨道根数方法设计了5种脉冲变轨的轨道方案,并进行了相应的轨道算例仿真。仿真结果表明:该方案可适用于任意的初始相位差,具备一定的工程实现意义。     

The impact of alternative mission models on the future orbital debris environment

In reviewing discussions of future directions for space activity, it becomes obvious that there are a large number of groups formulating a wide diversity of plans for the future use of space. These plan alternatives are being made to account for user needs, technology development constraints, economic constraints, and launch support, and each of the plans will have direct or indirect effects on the orbital debris environment in terms of mass to orbit, deposition of operational debris, and control of accidental breakups. Thus it is important to develop the ability to project future debris states for a range of possible space traffic scenarios. The impact that these possible traffic environments would have on space operations forms the basis for studies of alternative options for the usage of space. In this paper, the effects on the orbital debris environment of a base-line mission model and two alternatives are investigated, using a numerical debris environment simulation code under development at JSC.