本文關(guān)鍵詞：近地軌道空間碎片環(huán)境工程模型建模技術(shù)研究

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【摘要】：日益增加的空間碎片嚴重威脅著在軌航天器的安全運行。對于已編目的大尺寸碎片,航天器可通過碰撞預(yù)警實施軌道機動躲避其撞擊威脅;而對于數(shù)量眾多、無法準確記錄軌道的小尺寸碎片,需建立空間碎片環(huán)境工程模型描述其時空分布規(guī)律,進而通過風險評估對航天器采用適當?shù)姆雷o設(shè)計措施來抵御其撞擊威脅。國際上已發(fā)布多種工程模型,但其建模數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)處理手段并未完全公開,且認可度最高的ORDEM系列模型的最新版本對我國進行了技術(shù)封鎖,我國航天事業(yè)的發(fā)展對建立自主工程模型提出了迫切需求�；谏鲜霈F(xiàn)狀,本文從組成近地軌道區(qū)域的各種空間碎片源出發(fā)建立工程模型,其中包括建模數(shù)據(jù)源的獲取、建模數(shù)據(jù)源的數(shù)學處理方法以及工程模型建模方法及模型精度評估等。本文主要研究內(nèi)容包括:首先,基于歐空局最新發(fā)布的源模型分析獲得各種空間碎片源的尺寸、面質(zhì)比以及速度增量等參數(shù)的分布規(guī)律,明確了不同空間碎片源的特性。其次,提出不計周期項攝動影響的空間碎片軌道長期演化算法,為后續(xù)從源模型出發(fā)獲取工程模型建模數(shù)據(jù)源提供了高效的軌道演化工具。軌道長期演化算法中重點分析地球非球形J2項、大氣阻力、日月引力以及太陽光壓等攝動源一階解中的長期項,忽略周期項的作用,在此基礎(chǔ)上結(jié)合大氣阻力的作用范圍,確立了不同高度區(qū)域空間碎片軌道長期演化算法,并通過與STK軟件運行結(jié)果進行比較,驗證了本文軌道長期演化算法具有可靠的精度和較高的效率。第三,在地球外層空間三維網(wǎng)格離散化基礎(chǔ)上,提出了通過離散空間碎片的軌道根數(shù)來計算空間碎片在空間單元內(nèi)的停留概率,進而得到高效的計算空間密度和通量的算法�？臻g碎片在空間單元內(nèi)的停留概率是計算空間密度和通量最核心的難點,利用源模型模擬生成的空間碎片環(huán)境演化數(shù)據(jù)量較大,通過計算空間碎片在空間單元內(nèi)的停留時間進而得到停留概率的做法耗時久、效率低。為提高計算效率,通過等分空間碎片的平近點角獲得空間碎片運行軌跡上一系列離散點,將空間碎片在空間單元內(nèi)的停留概率用僅含軌道離散份數(shù)單一參數(shù)的“靜態(tài)”函數(shù)直接表征,進而得到計算空間密度和通量的高效算法。該算法避開了停留時間的計算過程,將計算停留概率這一“動態(tài)”問題轉(zhuǎn)化為“靜態(tài)”問題,極大地提高了計算效率。第四,基于編目物體歷年數(shù)據(jù)信息以及濺射物和剝落物模型,分別建立了歷年濺射事件和剝落事件統(tǒng)計數(shù)據(jù)表,引入源事件8年周期循環(huán)模型預(yù)測未來各種源事件數(shù)據(jù)表,結(jié)合各種源事件數(shù)據(jù)表以及軌道長期演化算法,模擬生成了各種源空間碎片環(huán)境演化數(shù)據(jù),為建立工程模型提供建模數(shù)據(jù)源�；跉v年編目物體數(shù)據(jù)以及濺射物和剝落物各自的產(chǎn)生特點,分別建立了1957年~2010年的濺射和剝落事件統(tǒng)計數(shù)據(jù)表。對于未來空間碎片環(huán)境的變化趨勢,引入源事件8年周期循環(huán)模型,建立了2011年~2050年的各種源事件數(shù)據(jù)表。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合已開發(fā)的空間碎片軌道長期演化算法,利用歐空局最新源模型和各種源事件數(shù)據(jù)表模擬生成了1957年~2050年各種源空間碎片環(huán)境演化數(shù)據(jù)。第五,建立了近地軌道空間碎片環(huán)境工程模型LEO-SDEEM并驗證其預(yù)測精度,在此基礎(chǔ)上進一步討論了大氣旋轉(zhuǎn)因素對工程模型預(yù)測結(jié)果的影響。以源模型模擬生成的各種源空間碎片環(huán)境演化數(shù)據(jù)作為建模數(shù)據(jù)源,以軌道根數(shù)離散化方法作為數(shù)據(jù)處理手段,建立了LEO-SDEEM模型,并通過與典型原位探測數(shù)據(jù)以及歐空局和NASA發(fā)布的空間碎片環(huán)境模型輸出結(jié)果進行比較,驗證了工程模型的預(yù)測精度。在此基礎(chǔ)上,假定大氣的旋轉(zhuǎn)速度與地球自轉(zhuǎn)速度相等,進一步分析了大氣旋轉(zhuǎn)因素對工程模型預(yù)測精度的影響,結(jié)果表明考慮大氣的旋轉(zhuǎn)不會顯著改變空間碎片的總量,兩種大氣條件下各種碎片源隨高度和軌道傾角的分布趨勢基本相同,大氣旋轉(zhuǎn)主要使各種碎片源在軌道高度1000km以下區(qū)域的分布出現(xiàn)不同程度的波動。最后,基于已建立的LEO-SDEEM模型,以CSBM解體模型替代歐空局解體模型,分析解體模型不同參數(shù)分布對工程模型預(yù)測結(jié)果的影響。利用CSBM解體模型生成了碰撞解體碎片環(huán)境演化數(shù)據(jù),建立了基于CSBM解體模型的工程模型LEO-SDEEM(CSBM),通過比較LEO-SDEEM(CSBM)與LEO-SDEEM模型的差異,結(jié)果表明CSBM解體模型主要對工程模型毫米級及以上空間碎片預(yù)測結(jié)果有影響。綜上,針對我國缺乏小空間碎片環(huán)境實測數(shù)據(jù)這一現(xiàn)狀,本文提出了從源模型出發(fā)建立近地軌道空間碎片環(huán)境工程模型的基本流程和思路,提出了高效的空間碎片軌道長期演化算法,開發(fā)了軌道根數(shù)離散化方法來計算空間密度和通量,生成了解體碎片、熔渣、粉塵、Na K液滴、濺射物以及剝落物的空間碎片環(huán)境演化數(shù)據(jù),建立了近地軌道空間碎片環(huán)境工程模型LEO-SDEEM,分析了大氣旋轉(zhuǎn)以及解體模型不同參數(shù)分布等因素對工程模型預(yù)測精度的影響。本文研究成果為航天器防護結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了數(shù)據(jù)支持,也為進一步研究高軌空間碎片環(huán)境提供了技術(shù)基礎(chǔ),具有一定的理論指導意義和工程應(yīng)用價值。
【關(guān)鍵詞】：近地軌道空間碎片環(huán)境 工程模型 演化數(shù)據(jù) 空間密度 通量 軌道根數(shù)離散化算法
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：V528
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-19
• 第1章 緒論19-39
• 1.1 空間碎片問題概況19-21
• 1.1.1 空間碎片環(huán)境19-20
• 1.1.2 空間碎片的來源20-21
• 1.1.3 空間碎片的危害21
• 1.2 空間碎片環(huán)境探測21-24
• 1.2.1 地基探測21-23
• 1.2.2 天基探測23-24
• 1.3 空間碎片環(huán)境模型24-29
• 1.3.1 空間碎片環(huán)境特點及其表征方法24-27
• 1.3.2 演化模型27
• 1.3.3 工程模型27-29
• 1.4 空間碎片環(huán)境模型研究進展29-33
• 1.4.1 國外研究現(xiàn)狀29-32
• 1.4.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀32-33
• 1.5 存在的問題與分析33-36
• 1.6 本文主要研究內(nèi)容36-39
• 第2章 空間碎片源模型39-64
• 2.1 引言39
• 2.2 解體模型39-45
• 2.2.1 尺寸數(shù)量分布40-41
• 2.2.2 面質(zhì)比分布41-44
• 2.2.3 速度增量分布44
• 2.2.4 MASTER改進解體模型44-45
• 2.3 固體火箭發(fā)動機噴射物模型45-49
• 2.3.1 熔渣模型45-47
• 2.3.2 粉塵模型47-49
• 2.4 NaK液滴模型49-53
• 2.4.1 羅辛-拉姆勒(Rosin-Rammler)方程49-50
• 2.4.2 頂部NaK液滴泄漏50-51
• 2.4.3 底部NaK液滴泄漏51-52
• 2.4.4 NaK液滴尺寸分布52-53
• 2.5 濺射物模型53-57
• 2.5.1 質(zhì)量分布55
• 2.5.2 尺寸數(shù)量分布55-56
• 2.5.3 速度增量分布56-57
• 2.6 航天器表面剝落物模型57-59
• 2.6.1 尺寸數(shù)量分布58
• 2.6.2 剝落速率58-59
• 2.7 微流星體模型59-62
• 2.7.1 平均通量59-60
• 2.7.2 速度分布60
• 2.7.3 質(zhì)量密度分布60-61
• 2.7.4 微流星體對航天器的影響61-62
• 2.8 本章小結(jié)62-64
• 第3章 空間碎片軌道長期演化算法64-83
• 3.1 引言64
• 3.2 空間碎片軌道攝動理論64-68
• 3.2.1 軌道攝動方程64-66
• 3.2.2 地球非球形攝動66
• 3.2.3 日月引力攝動66-67
• 3.2.4 太陽光壓攝動67-68
• 3.3 大氣阻力攝動68-75
• 3.3.1 靜止大氣68-69
• 3.3.2 旋轉(zhuǎn)大氣69-70
• 3.3.3 大氣阻力攝動方程的數(shù)學處理70-71
• 3.3.4 大氣阻力對空間碎片壽命的影響71-75
• 3.4 軌道長期演化算法75-81
• 3.4.1 軌道演化算法75-76
• 3.4.2 算例分析76-81
• 3.5 本章小結(jié)81-83
• 第4章 空間碎片的空間密度和通量算法83-106
• 4.1 引言83
• 4.2 空間密度83-85
• 4.3 通量85-88
• 4.3.1 表面通量85-86
• 4.3.2 截面通量86-87
• 4.3.3 撞擊期望估計87-88
• 4.4 空間密度和通量的數(shù)值算法88-94
• 4.4.1 空間離散化88-89
• 4.4.2 空間密度數(shù)值算法89-90
• 4.4.3 通量數(shù)值算法90-94
• 4.5 空間碎片軌道根數(shù)離散化方法94-99
• 4.5.1 軌道根數(shù)離散化方法95-97
• 4.5.2 軌道根數(shù)離散準則97-99
• 4.6 軌道根數(shù)離散法的應(yīng)用99-104
• 4.6.1 雙行元數(shù)據(jù)軌道參數(shù)分布100-102
• 4.6.2 空間密度分布102-103
• 4.6.3 通量分布103-104
• 4.7 本章小結(jié)104-106
• 第5章 基于各種源事件的空間碎片環(huán)境演化數(shù)據(jù)106-145
• 5.1 引言106
• 5.2 源模型模擬總體方案106-109
• 5.3 爆炸碰撞解體碎片109-115
• 5.3.1 解體事件模擬109-110
• 5.3.2 典型解體事例110-113
• 5.3.3 歷次爆炸碰撞解體事件113-115
• 5.4 固體火箭發(fā)動機噴射物115-125
• 5.4.1 固體火箭發(fā)動機點火事件模擬115-116
• 5.4.2 典型熔渣噴射算例116-120
• 5.4.3 典型粉塵噴射算例120-122
• 5.4.4 歷次固體火箭發(fā)動機點火事件122-125
• 5.5 NaK液滴125-132
• 5.5.1 NaK液滴泄漏事件模擬125-127
• 5.5.2 典型NaK液滴泄漏事例127-130
• 5.5.3 歷次NaK液滴泄漏事件130-132
• 5.6 濺射物132-136
• 5.6.1 濺射事件模擬132-135
• 5.6.2 濺射物分布135-136
• 5.7 航天器表面剝落物136-138
• 5.7.1 剝落事件模擬136-137
• 5.7.2 剝落物分布137-138
• 5.8 空間碎片環(huán)境發(fā)展趨勢預(yù)測138-143
• 5.8.1 爆炸碰撞解體事件139-140
• 5.8.2 固體火箭發(fā)動機點火事件140-142
• 5.8.3 濺射事件142
• 5.8.4 剝落事件142-143
• 5.9 本章小結(jié)143-145
• 第6章 近地軌道空間碎片環(huán)境工程模型建模145-190
• 6.1 引言145
• 6.2 空間碎片環(huán)境工程模型建模方法145-149
• 6.2.1 工程模型建�；玖鞒�145-146
• 6.2.2 工程模型數(shù)據(jù)存儲格式146
• 6.2.3 工程模型工作模式146-147
• 6.2.4 LEO-SDEEM軟件界面147-149
• 6.3 工程模型計算精度分析149-162
• 6.3.1 望遠鏡/雷達評估模式150-156
• 6.3.2 航天器評估模式156-160
• 6.3.3 未來空間碎片環(huán)境預(yù)測160-162
• 6.4 工程模型應(yīng)用162-172
• 6.4.1 航天器風險分析162-166
• 6.4.2 評估突發(fā)解體事件166-168
• 6.4.3 保護空間碎片環(huán)境168-171
• 6.4.4 指導空間碎片環(huán)境探測171-172
• 6.5 大氣旋轉(zhuǎn)對工程模型預(yù)測結(jié)果的影響172-188
• 6.5.1 空間碎片數(shù)量隨時間的變化對比172-178
• 6.5.2 空間碎片在不同高度區(qū)間的分布對比178-179
• 6.5.3 空間碎片隨軌道參數(shù)的分布對比179-184
• 6.5.4 工程模型預(yù)測結(jié)果對比184-188
• 6.6 本章小結(jié)188-190
• 第7章 CSBM解體模型在工程模型建模中的應(yīng)用實踐研究190-205
• 7.1 引言190
• 7.2 CSBM解體模型190-193
• 7.2.1 解體程度191
• 7.2.2 質(zhì)量數(shù)量分布191-192
• 7.2.3 面質(zhì)比分布192-193
• 7.2.4 速度增量分布193
• 7.3 碰撞解體碎片193-197
• 7.3.1 典型碰撞解體事例193-195
• 7.3.2 歷次碰撞解體195-197
• 7.4 基于CSBM解體模型的工程模型197-204
• 7.4.1 望遠鏡/雷達評估模式197-199
• 7.4.2 航天器評估模式199-201
• 7.4.3 航天器風險分析201-204
• 7.5 本章小結(jié)204-205
• 結(jié)論205-209
• 參考文獻209-221
• 附錄A 歷年解體事件221-226
• 攻讀博士學位期間發(fā)表、待發(fā)表的學術(shù)論文226-228
• 致謝228-229
• 個人簡歷229

，

本文編號：900852