【摘要】：隨著人類航天活動(dòng)的日益增多,產(chǎn)生了大量的空間碎片,嚴(yán)重污染了空間環(huán)境。近年來由于深空探測、地面觀測及航天器編隊(duì)飛行等相關(guān)研究的不斷開展,對于執(zhí)行任務(wù)的高精度航天器的指向精度與位置精度要求越來越高�？臻g碎片撞擊高精度航天器后對其指向性能和定位性能的影響變得不容忽略。本文根據(jù)這種需求,建立了空間碎片撞擊航天器的動(dòng)力學(xué)模型,并對空間碎片撞擊高精度航天器的過程進(jìn)行分析,最終通過蒙特卡洛模擬試驗(yàn)獲得了空間碎片撞擊對航天器指向及定位性能影響的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。本文首先依據(jù)航天器姿態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)的知識(shí)得到了航天器的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型,并以此為基礎(chǔ)建立了空間碎片撞擊航天器的動(dòng)力學(xué)模型,設(shè)計(jì)并給出了航天器指向性能和定位性能的相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)。其次,以哈勃望遠(yuǎn)鏡為例,給出哈勃的軌道根數(shù)以及簡化幾何模型,通過SDEEM軟件給出哈勃所處軌道的空間碎片環(huán)境數(shù)據(jù),運(yùn)用控制變量法研究空間碎片撞擊航天器時(shí),碎片尺寸、撞擊方位角和撞擊位置對航天器定位性能的影響特性。結(jié)果表明碎片尺寸對漂移距離及速度增量大小的影響最大,撞擊位置對漂移距離及速度增量方向的影響明顯;碎片撞擊方位角在-5°到5°范圍內(nèi)時(shí),航天器被撞擊后的漂移距離及速度增量最大,碎片撞擊方位角在±140°附近時(shí),航天器被撞擊后的漂移距離及速度增量最小。再次,基于Z-buffer算法對哈勃望遠(yuǎn)鏡幾何模型進(jìn)行消隱分析,通過隨機(jī)模擬的方法生成撞擊參數(shù)與撞擊時(shí)間,仿真分析空間碎片撞擊對哈勃指向性能和定位性能的累積影響。結(jié)果表明空間碎片撞擊一天造成的哈勃觀測軸指向方位角累積誤差主要分布在-50角秒到50角秒之間,在0角秒到10角秒的概率最大,指向俯仰角累積誤差主要分布在-100角秒到100角秒之間,在-10角秒到0角秒的概率最大。航天器觀測軸指向變化率主要處于1*10~(-11)rad/s和1*10~(-7)rad/s之間,在1*10~(-9)rad/s左右的概率最大。漂移距離大小主要分布10~(-5)m到10~(-2)m之間,在10~(-4)m左右的概率最大;速度增量大小主要處于10~(-9)m/s到10~(-6)m/s之間,在10~(-8)m/s左右的概率最大。最后基于射線法對哈勃望遠(yuǎn)鏡幾何模型進(jìn)行消隱分析,通過隨機(jī)模擬方法生成撞擊參數(shù)與撞擊時(shí)間,利用蒙特卡洛數(shù)值模擬方法獲得空間碎片撞擊對哈勃指向及定位性能累積影響的統(tǒng)計(jì)規(guī)律,通過兩個(gè)消隱算法所得結(jié)果的互相比較,進(jìn)一步驗(yàn)證了所得統(tǒng)計(jì)規(guī)律的正確性。本文所取得的研究成果,為進(jìn)一步提高我國高精度航天器的指向及定位性能提供參考,對高精度航天器姿態(tài)穩(wěn)定與位置穩(wěn)定控制有一定指導(dǎo)意義,具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：V528
【圖文】：

背景及研究的目的和意義碎片環(huán)境簡述 世紀(jì) 50 年代末以來，地球軌道上駐留空間對象（RSOS）的就導(dǎo)致了，衛(wèi)星和空間碎片之間的破壞性碰撞概率是現(xiàn)在航重要的關(guān)注點(diǎn)之一[1]�？臻g碎片通常被認(rèn)為是地球軌道上的于人類的太空活動(dòng)而產(chǎn)生的廢棄物�？臻g碎片在軌道中還可標(biāo)的碰撞可能引起空間碎片級(jí)聯(lián)效應(yīng)，每次碰撞產(chǎn)生的新次碰撞的碎片目標(biāo)，這種效應(yīng)被稱為凱斯勒綜合癥[2]。近年意或意外爆炸和碰撞，空間碎片的數(shù)量快速增加，在低地球累尤為明顯，并延伸至約 2000 公里的高度[3]。如圖 1-1 所月美國空間監(jiān)測網(wǎng)（SSN）編目的在軌空間物體的數(shù)量變化。

導(dǎo)致航天器解體，但此類碎片多被監(jiān)測預(yù)警，航天器可。小于 1 厘米尺寸的碎片撞擊有可能影響航天器的各個(gè)片撞擊空間望遠(yuǎn)鏡的反射鏡時(shí)會(huì)磨蝕鏡面而導(dǎo)致鏡件的撞擊可能會(huì)導(dǎo)致部件失效，無法平衡航天器的溫的空間小碎片體積太小并且數(shù)量太多，無法進(jìn)行有效規(guī)避其撞擊，只能采取提高自身防護(hù)能力如添加防護(hù)對自身的危害[7]。的航天器可能會(huì)被空間碎片撞擊，1993 年 NASA 對哈替換下來的太陽能帆板上的撞擊坑多達(dá) 5000～6000 量達(dá) 150 個(gè)。美國于 1984 年 4 月 6 日發(fā)射了可檢測近十二面柱體航天器(LDEF)，長達(dá) 5.75 年的暴露試驗(yàn)讓據(jù),經(jīng)地面回收后發(fā)現(xiàn)其上的撞擊坑達(dá) 34000 個(gè),大部。如圖 1-2 是哈勃望遠(yuǎn)鏡太陽帆上的撞擊坑,雖然空間陽能帆板的正常工作，但碎片撞擊傳遞的動(dòng)量卻會(huì)影其姿態(tài)和指向性能。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文碰撞頻率從而減緩空間碎片威脅的結(jié)論[23]。AB Jekin 等 MEO 存儲(chǔ)處置軌道的全球使用和配置 MEO 星座處置軌是比美國 SSO 保護(hù)區(qū)域減少 MEO 碎片風(fēng)險(xiǎn)的更有效的結(jié)間碎片環(huán)境修復(fù)方法以及建模分析了未來大尺寸與小尺。圖 1-4 為 ADR 控制碎片增長的仿真示意圖。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2791785