基于附加约束方法的空间飞网碰撞动力学与仿真.pdf

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1、第２３卷第４期载人航天Ｖｏｌ．２３Ｎｏ．４２０１７年８月ＭａｎｎｅｄＳｐａｃｅｆｌｉｇｈｔＡｕｇ．２０１７基于附加约束方法的空间飞网碰撞动力学与仿真甄明，杨乐平，张青斌（国防科技大学航天科学与工程学院，长沙４１００７３）摘要：针对空间飞网捕获目标时的碰撞问题，基于向量式有限元离散方法，采用Ｋｅｌｖｉｎ-Ｖｏｉｇｔ绳段模型，引入附加约束方法，对飞网捕获碰撞过程进行了动力学建模和仿真，分析了飞网在捕获碰撞阶段的位形变化、能量变化、碰撞力和绳段张力变化。结果表明，空间飞网的位形、能量和对角线绳段内力在碰撞过程中都会发生显著变化。可为空间飞网系统的设计提供一定的借鉴。关键词：空间

2、飞网；碰撞捕过程；附加约束法；动力学模型中图分类号：Ｖ４１２.４文献标识码：Ａ文章编号：１６７４-５８２５（２０１７）０４-０４９８-０８ＣｏｎｔａｃｔＤｙｎａｍｉｃｓａｎｄＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＳｐａｃｅＮｅｔｂａｓｅｄｏｎＡｐｐｅｎｄｉｎｇＣｏｎｓｔｒａｉｎｔＭｅｔｈｏｄＺＨＥＮＭｉｎｇ，ＹＡＮＧＬｅｐｉｎｇ，ＺＨＡＮＧＱｉｎｇｂｉｎ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＡｅｒｏｓｐａｃｅＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮａｔｉｏｎａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＤｅｆｅｎｓｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ４１００７３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇａｔｔ

3、ｈｅｃｏｎｔａｃｔｐｒｏｂｌｅｍｉｎｔａｒｇｅｔｃａｐｔｕｒｉｎｇｂｙｓｐａｃｅｎｅｔ，ｔｈｅＶｅｃｔｏｒＦｏｒｍＩｎｔｒｉｎｓｉｃＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＭｅｔｈｏｄ，ｔｈｅ“Ｋｅｌｖｉｎ-Ｖｏｉｇｔ”ｖｉｓｃｏｅｌａｓｔｉｃｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎｒｅｌａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅａｐｐｅｎｄｉｎｇｃｏｎ-ｓｔｒａｉｎｔｍｅｔｈｏｄｗｅｒｅａｄｏｐｔｅｄｔｏｅｓｔａｂｌｉｓｈｔｈｅｃｏｎｔａｃｔｄｙｎａｍｉｃｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｓｐａｃｅｎｅｔ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｗｅｒｅｃｏｎｄｕｃｔｅｄｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅｎｅｔｓｈａｐｅ，ｔｈｅｅｎｅｒｇｙｖａｒｉａｔｉ

4、ｏｎ，ｔｈｅｉｍｐａｃｔｆｏｒｃｅａｎｄｔｈｅｔｅｔｈｅｒｔｅｎ-ｓｉｏｎｄｕｒｉｎｇｔｈｅｃｏｎｔａｃｔｅｄｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｎｅｔｓｈａｐｅ，ｔｈｅｅｎｅｒｇｙａｎｄｔｈｅｄｉａｇｏ-ｎａｌｔｅｔｈｅｒｔｅｎｓｉｏｎｖａｒｉｅｄｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｄｕｒｉｎｇｔｈｅｉｍｐａｃｔｃｏｎｔａｃｔｐｒｏｃｅｓｓｗｈｉｃｈｍａｙｏｆｆｅｒｓｏｍｅｒｅｆｅｒ-ｅｎｃｅｆｏｒｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｓｐａｃｅｎｅｔｓｙｓｔｅｍ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｐａｃｅｎｅｔ；ｃｏｎｔａｃｔｐｒｏｃｅｓｓ；ａｐｐｅｎｄｉｎｇｃｏｎｓｔｒａｉ

5、ｎｔｍｅｔｈｏｄ；ｄｙｎａｍｉｃｍｏｄｅｌ地避免了刚性碰撞，具有容错性强、降低捕获精度１引言要求、质量轻、占用空间小、成本低等诸多优势，因随着人类空间活动的不断探索和发展，大量此受到了广泛关注和研究。［１］空间碎片散布于地球轨道，空间碎片的急剧增空间飞网捕获可分为捕获阶段和离轨阶段，加导致更多的碎片碰撞事故，造成空间飞行器结其中，捕获阶段可分为拉出展开过程和碰撞包裹［２］［７-８］构破坏、脱离轨道等破坏效应。对此，众多学过程。陈钦等建立了空间飞网系统的刚柔耦［３］［４］者提出了机械臂、空间飞叉技术和空间飞合动力学模型，对飞网拉出展开进行了初步研究，［５］［９］爪等措施对空

6、间碎片进行捕获和离轨，但以上并通过地面抛射试验进行检验。赵国伟等考方法需要较高的控制精度，且在捕获过程中伴有虑绳段张力内耗和变形滞后，对柔性飞网展开运［１０-１２］刚性碰撞，可能产生二次垃圾。后来，欧空局提出动进行了数值模拟。于洋和李京阳等提出［６］了一种空间飞网捕获方法，空间飞网捕获较好了飞网拉出展开效果的衡量标准，并利用软件收稿日期：２０１７-０２-２８；修回日期：２０１７-０６-２５第一作者：甄明，男，博士研究生，研究方向为空间安全。Ｅ-ｍａｉｌ：ｚｈｅｎｍｉｎｇ１９８９１１８＠ｈｏｔｍａｉｌ．ｃｏｍ第４期甄明，等．基于附加约束方法的空间飞网碰撞动力学与仿真４９９Ｔ

7、ＨＵｓｏｌｖｅｒ和ＡＢＡＱＵＳ进行动力学仿真，分析了由右手法则确定；［１３］飞网抛射参数对展开性能的影响。张青斌等２）拖船轨道系Ｈ，原点位于拖船质心Ｏ，ｘ１１采用“半阻尼弹簧”模型，基于地面试验参数，仿轴由Ｏ指向Ｏ，ｚ轴沿拖船轨道面法向，ｙ轴在Ｅ１真分析了飞网展开过程的天地差异性。刘海涛拖船轨道面内垂直于ｘ轴并指向运动方向，并满［１４-１５］等利用多点吊挂模型，对飞网捕获后的复合足右手法则。体离轨进行了策略设计和动力学仿真。以上研究多集中于空间飞网拉出展开过程和拖拽离轨阶段，而飞网对目标体的碰撞包裹研究较少。碰撞包裹过程中，飞