地球静止轨道卫星碰撞碎片短期演化风险分析

地球静止轨道(GEO)卫星与空间碎片发生碰撞后短期内会出现无地面观测数据的情况。为解决该问题,筛选了所有运行或穿越GEO区域的空间目标,分析了数值法和解析法在进行接近分析时的优劣势,给出了基于弦截法的接近分析数值求解方法,运用SDP4模型进行轨道预报。运用质量守恒和动量守恒对NASA标准解体模型进行修正,生成空间碎片信息。针对短期演化风险,在无连锁碰撞研究需求时进行假设,进而简化碰撞概率计算方法。对GEO区域内碎片的碰撞和穿越GEO区域碎片的碰撞2类事件进行分析,在碰撞完全解体和非完全解体2种条件下,分析3 d内碰撞产生的碎片对GEO区域的威胁程度。仿真实验结果表明:在完全解体的情形下,新产生的空间碎片3 d内与原有空间目标会发生100多次小于20 km的接近,最近距离降低到214.4 m。在无地面对新生成空间碎片观测数据的条件下,该研究为航天器规避机动提供参考,为下一步的长期演化分析提供理论借鉴。     

含间隙铰链的非线性动力学建模及数值分析

针对空间可展开机构中的含间隙铰链,建立非线性动力学模型,研究其非线性动力学特性。将含间隙铰链实体等效为"T"字型梁模型,针对两侧端部的径向碰撞和侧向碰撞,首次提出了碰撞点的检测算法。针对不同的碰撞类型,建立相应的非线性接触力和摩擦力分析模型,将碰撞点处的作用力等效施加到"T"字型梁模型上。进行"T"字型梁模型在轴向冲击载荷下的动力学特性分析,并与ANSYS软件的分析结果进行比较,验证了含间隙铰链非线性动力学模型的有效性。分析了有多个含间隙铰链的可展开桁架动力学响应特性,研究含间隙铰链对桁架响应的影响机理。结果表明:采用含间隙铰链的动力学模型,可以更加精确地分析可展开桁架结构的非线性动力学响应,为可展开桁架结构的动力学设计提供支撑。     

美国DMSP-F13卫星解体事件对空间碎片环境影响分析

2015 年2 月3 日,美国DMSP-F13 卫星发生爆炸解体,产生了百余块编目空间碎片。该卫星解体碎片主要分布在轨道高度600～1200 km 范围内,其中近50%的编目碎片在轨寿命将超过20 年,会对未来空间碎片环境构成长期影响。结合我国空间碎片环境工程模型SDEEM 对DMSP-F13 解体事件的分析结果显示,此次解体事件造成邻近轨道区域内空间碎片空间密度增加,对该区域航天器安全运行产生影响。     

航天器碰撞解体碎片分析软件SFA2.0及其应用

为了实现对航天器在轨解体事件及其碎片分布特性的快速分析,中国空气动力研究与发展中心(CARDC)开发了SFA(Spacecraft Fragmentation Analysis)软件。该软件主要基于CSBM航天器解体模型开发形成,同时集成了NASA的标准解体模型。SFA软件具有解体程度分析、解体碎片生成、碎片分布统计等功能,并可以实时显示计算结果、绘制统计曲线。文章着重介绍了SFA软件2.0版的功能模块、主要算法、界面及使用方法等,并针对Iridium 33-Cosmos 2251碰撞、Solwind P78航天器解体等在轨事件进行了分析。     

基于冲突解脱的碰撞风险研究

自由飞行是解决航路拥挤问题的一种有效方式,因此在自由飞行环境下对飞行碰撞风险进行研究显得尤为重要。分析了在自由飞行空域中实施飞行冲突解脱策略后的转弯航路碰撞风险;考虑了所需通信、导航和监视性能以及飞行速度偏差,建立了基于冲突解脱的碰撞风险评估模型。通过算例分析了冲突解脱角度、水平间隔与飞行碰撞风险之间的关系,结果表明碰撞风险评估模型能很好地对自由飞行空域中实施冲突解脱后的碰撞风险进行评估,验证了模型的可行性。     

基于时间约束的无人机避障研究

对无人机避开障碍物这一热点问题展开了研究。在极坐标系下,基于无人机与障碍物之间的几何关系,建立了无人机与障碍物之间的运动学方程。通过设计滑模变结构有限时间收敛制导律,使连接无人机与避障点的视线角速率快速收敛到零,相对速度方向收敛到期望的避障方向,保证了无人机能够顺利避开运动障碍物。通过有限时间收敛分析,得到了相对速度收敛到期望的避障方向时间与制导律参数的表达式。通过选择合适的参数,可使收敛时间小于到达避障点的时间,保证了避障的完成,也确定了制导律参数的取值范围。最后对设计的避障算法进行了仿真,仿真结果验证了算法的有效性。     

多弹最优协同诱导突防制导律

针对多弹协同突防问题提出了一种最优协同诱导突防制导律,基于诱导碰撞策略实现有效突防。首先构建了多弹协同对抗非线性模型,并基于零控脱靶量和零控碰撞角进行线性化。然后考虑拦截弹和进攻弹均为二阶驾驶仪动力学特性条件下,将各拦截弹碰撞距离和拦截弹碰撞角扩展到状态方程中,并利用状态转移矩阵降低状态方程维度。在此基础上,设计包含碰撞角约束的快收敛扩展性能指标函数,采用碰撞时间匹配策略推导出多弹最优协同诱导解析制导律的一般形式,并给出2枚进攻弹对2枚拦截弹典型场景下的突防制导律。最后通过典型场景仿真验证了最优协同诱导突防制导律的有效性。     

基于CNS性能及人为因素的纵向碰撞风险研究

为了分析CNS性能及人为因素对航空器在平行航路的安全间距影响,基于雷达管制环境下管制员对航空器纵向穿越的干预过程,在传统碰撞风险模型的基础上引入认知可靠性与失误分析方法(CREAM),综合考虑通信、导航、监视(Communication,Navigation and Surveillance,CNS)性能以及人为因素,建立了包含人的认知可靠性的平行航路纵向碰撞风险模型.并通过算例分析了CNS性能以及人因可靠性对平行航路碰撞风险的影响.结果表明,导航性能对航路的纵向碰撞风险影响较大;通过提高人的认知可靠性可以有效地提高平行航路的安全水平.     

飞行间隔安全评估研究

 首先概述了飞行间隔安全评估研究中常用的概念,然后从REICH模型、交叉航路模型、概率论模型、随机分析模型、EVENT模型和RASRAM模型6种常用碰撞风险模型的角度,分析了各个模型的优缺点和各自的适用范围,分析结果表明飞行间隔安全评估中的关键问题为：模型的限制、管制意图和安全评价,并在此基础上分析了飞行间隔安全评估未来的研究方向。     

故障模式下的空间交会防撞设计

  针对轨道平面内某一方向发动机失效的情况,利用控制力的耦合效应,设计了航天器轨道转移的控制律。利用碰撞概率分析航天器发生碰撞的可能性,并结合燃料消耗选择一条碰撞概率小于给定的警戒值且燃料最优的转移轨道。最后通过仿真验证了发动机失效情况下的主动防撞机动控制律的有效性。