柔性绳网动力学与应用

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柔性绳网在太空清除空间碎片和低空反无人机作战中,具有重要的应用价值,但是现有模型无法精确模拟绳网的工作过程,进而无法有效的进行绳网系统的优化设计。因此本文针对柔性绳网系统的动力学与应用问题,建立了考虑空气作用力的绳网集中质量模型和绝对节点坐标模型,提出了一种新的绳网折叠封贮模式,建立了绳网的折叠封贮及拉出展开过程的精细动力学模型,并在此基础上对空间绳网捕获任务和地面反无人机绳网捕获任务进行了优化设计。同时,为了解决空间绳网展开后快速回弹的技术难题,文中还提出了一种新的绳网被动控制方法,并进行了优化设计。本文的主要研究内容如下:(1)绳网动力学建模。建立了考虑空气作用力的绳网集中质量模型和绝对节点坐标模型,开展了绳网材料特性参数的测试试验,利用自由落体试验对两种绳网动力学模型进行了对比分析。(2)绳网拉出展开过程精细动力学建模。提出了一种新的绳网初始折叠模式,并根据绳网拉出展开过程中绳索与网包之间的相对位置关系,建立了精细动力学模型。同时,运用伪柔性单元模型对因长期折叠封贮导致的绳索弯曲变形进行了模拟与验证。最后,开展了考虑绳网初始折叠与否的绳网展开特性对比分析。(3)空间绳网系统多目标优化设计。以空间绳网捕获系统的最大捕获能力和最小设计风险为出发点,综合考虑各种影响绳网系统性能的因素,以最大有效工作距离和最小绳网内力为目标进行了空间绳网系统的灵敏度分析,然后辅以最小绳网和质量块总质量进行了空间绳网系统的多目标优化设计。(4)反无人机绳网捕获系统多目标优化设计。建立了结合捕获平台发射飞行、柔性绳网展开捕获和降落伞回收的反无人机绳网捕获系统的全过程动力学模型,运用试验对模型进行了部分验证,然后结合无人机的运动特性,提出了一种新的绳网成功捕获无人机的评估方法,并在此基础上,对反无人机绳网捕获系统进行了多目标优化设计。(5)空间绳网被动控制方法及优化设计。针对空间绳网展开后快速回弹的技术难题,提出了一种新的基于“撕裂带”的绳网被动控制方法,在建立和验证了撕裂带的动力学模型后,建立了绳网-撕裂带精细动力学模型,并以最大有效工作距离为目标对撕裂带强度进行了优化设计。本文旨在研究和完善绳网的动力学模型,解决空间绳网捕获和地面反无人机绳网捕获工程应用中面临的诸多技术难题。
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