【摘要】：日益增多的空間碎片已經(jīng)嚴(yán)重影響航天器和衛(wèi)星的正常在軌運(yùn)行,甚至可能帶來(lái)毀滅性的災(zāi)難。為從根本上控制空間碎片數(shù)目增長(zhǎng),消除空間碎片給航天活動(dòng)帶來(lái)的威脅,碎片主動(dòng)移除技術(shù)將是未來(lái)處理空間環(huán)境問(wèn)題的新思路。碎片的主動(dòng)移除涉及到兩個(gè)方面的內(nèi)容,目標(biāo)碎片如何選擇和如何移除。由于太陽(yáng)同步軌道非常重要并且碎片數(shù)量特別多,本文選擇太陽(yáng)同步軌道上的碎片作為研究的目標(biāo)碎片。采用化學(xué)推進(jìn)方式對(duì)我國(guó)空間活動(dòng)產(chǎn)生的碎片進(jìn)行移除仿真分析,得出每年可以移除6塊左右位于太陽(yáng)同步軌道上的小型碎片的結(jié)論。并且指出空間碎片主動(dòng)移除對(duì)速度增量的需要大,一次任務(wù)難以移除多塊大型碎片,離每年需要清除5塊噸級(jí)以上大型碎片的目標(biāo)還有很大差距。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),針對(duì)速度增量需求大的難點(diǎn),本文提出了一種有創(chuàng)新性的移除方案——利用碰撞能量轉(zhuǎn)移方式移除空間碎片。利用化學(xué)推進(jìn)方式移除空間碎片的研究中,采用蟻群優(yōu)化算法對(duì)多碎片移除過(guò)程中的路徑優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行了分析,然后采用改進(jìn)的最速下降法對(duì)移除每塊碎片的時(shí)間進(jìn)行合理優(yōu)化,進(jìn)一步降低總的速度增量需求。對(duì)比軌道高度、軌道傾角或者升交點(diǎn)赤經(jīng)的順序,采用蟻群算法優(yōu)化之后的順序移除碎片可以在很大程度上節(jié)省軌道轉(zhuǎn)移所需要的速度增量。選取我國(guó)空間活動(dòng)產(chǎn)生的三組碎片進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算,結(jié)果顯示,在相同的任務(wù)時(shí)間內(nèi),優(yōu)化后的順序可能不同于軌道高度、傾角和赤經(jīng)的順序,并且優(yōu)化順序可以節(jié)省更多的速度增量。另外,任務(wù)時(shí)間也對(duì)碎片的最佳移除順序產(chǎn)生影響。創(chuàng)新性地將碰撞能量轉(zhuǎn)移方式應(yīng)用到空間碎片的移除研究。碰撞能量轉(zhuǎn)移方式的特點(diǎn)是通過(guò)碰撞將碎片攜帶的能量轉(zhuǎn)移到航天器,協(xié)助航天器完成軌道轉(zhuǎn)移,從而達(dá)到節(jié)約燃料的目的。對(duì)影響對(duì)心碰撞和非對(duì)心碰撞的因素進(jìn)行分析研究,找出了對(duì)捕網(wǎng)性能要求低、適合多次碰撞的區(qū)域。然后采用氣動(dòng)力輔助變軌方式調(diào)整航天器軌道參數(shù)以完成與其他目標(biāo)碎片的碰撞。
[Abstract]:The increasing number of space debris has seriously affected the normal in-orbit operation of spacecraft and satellites, and may even lead to devastating disasters. In order to fundamentally control the growth of space debris and eliminate the threat caused by space debris to space activities, debris removal technology will be a new way to deal with space environment problems in the future. The active removal of fragments involves two aspects, how to select the target fragments and how to remove them. Because the solar synchronous orbit is very important and the number of fragments is very large, the fragments in the solar synchronous orbit are selected as the target fragments of the study. The removal of fragments from space activities in China is simulated and analyzed by means of chemical propulsion, and it is concluded that about six small fragments located in solar synchronous orbit can be removed each year. It is pointed out that the active removal of space debris requires great speed increment, and it is difficult to remove multiple large fragments in one mission, which is still far from the target of removing more than 5 large fragments a year. In order to achieve this goal, aiming at the difficulty of speed increment, an innovative removal scheme is proposed in this paper, which uses collision energy transfer to remove space debris. In the research of removing space debris by chemical propulsion, ant colony optimization algorithm is used to analyze the path optimization problem in the process of multi-fragment removal, and then the improved steepest drop method is used to optimize the time of removing each fragment reasonably to further reduce the total speed increment requirement. Compared with the order of orbital height, orbital dip angle or ascending intersection, the sequential removal of fragments after optimization by ant colony algorithm can save the velocity increment needed for orbital transfer to a great extent. Three groups of fragments produced by space activities in China are selected for optimization calculation. The results show that the optimized order may be different from the order of orbital height, inclination angle and red meridians in the same task time, and the optimized order can save more velocity increments. In addition, the task time also has an impact on the optimal removal order of fragments. The collision energy transfer method is applied to the removal of space debris innovatively. The collision energy transfer mode is characterized by transferring the energy carried by the debris to the spacecraft through collision to assist the spacecraft to complete the orbital transfer, so as to achieve the purpose of saving fuel. The factors affecting the collision of the center and the non-collision of the center are analyzed and studied, and the areas where the performance of the catcher is low and suitable for multiple collision are found out. Then the orbit parameters of spacecraft are adjusted by pneumatic assisted orbit transformation to complete the collision with other target fragments.
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：V528

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本文編號(hào)：2510203