论文部分内容阅读
地球空间环境中存在大量的空间碎片,对航天器的正常运行、人类空间探索造成了严重的影响。因此采用合理的方式对碎片进行清除,创造良好的空间环境,已成为目前本学科领域急需解决的问题之一。本文借助计算机辅助设计与计算机辅助分析的思想和手段,根据相应的清除目标,设计了空间碎片清除方案,并对其进行结构设计、碰撞力学分析以及降轨动力学分析,完成了以下研究: 第一,制定了捕网捕获、气囊降轨的空间碎片清除方案,设计了“捕网Ⅰ型”和“捕网Ⅱ型”两种空间碎片清除器,利用CAD软件UG对碎片清除器进行结构设计,建立了三维模型,并对两种方案进行了对比分析。叙述了碎片清除器的工作过程,保证功能的顺利实现,并对其中的关键机构进行了详细设计和分析,保证了碎片清除器的顺利工作。 第二,以“捕网Ⅰ型”空间碎片清除器为例,对捕网进行设计和分析,首先对碎片捕网的碰撞过程进行理论分析和计算,根据理论分析的结果,利用CAE软件Patran/Dytran对碎片捕网碰撞过程进行仿真分析,对捕网的材料、网绳线径、网面形状等设计参数进行了优化,得到了优化后的捕网设计方案,并对其可行性进行了分析和检验。 第三,根据轨道摄动原理对碎片降轨过程进行了初步的理论分析,利用轨道分析软件STK对碎片降轨过程进行仿真分析,首先对自由状态下的碎片降轨过程进行仿真分析,得到了碎片降轨时间与轨道高度的拟合曲线,计算出自由状态碎片降至100km轨道高度的时间。然后分析了碰撞过程和气囊减速过程对碎片降轨时间的影响,得到了碰撞前相对速度、气囊直径、碎片质量等参数对降轨时间的影响规律。 本文的创新点为: 1.结合了捕捉法和气动阻力法两种碎片清除方式,设计了新型的“捕网型”碎片清除器,并对其中的上网机构、捕网、储箱等部件进行了详细地设计,具有结构简单、可靠性高、减速时间短等优点。 2.对碎片捕网的碰撞过程进行了动力学仿真分析,探讨了捕网线径、网面厚度、节点失效力等设计参数对碰撞过程的影响,综合考虑方案成本与可行性,得到了捕网的最佳设计方案。 3.根据轨道摄动理论,利用STK软件分析了碰撞过程对减速过程的影响,得到了碰撞前相对速度、碎片质量、气囊直径等参数对碎片减速时间的影响规律。