CN107128513B - 一种空间碎片消旋方法 - Google Patents

Abstract

一种空间碎片消旋方法，消旋杆件包括一端与空间碎片抓捕卫星相固连的杆件主体，所述的杆件主体上间隔加工有若干个用于使杆件主体能够进行折叠的槽口，杆件主体的另一端用于接触空间旋转碎片，空间旋转碎片带动杆件主体进行多次折叠，在杆件主体形变能的反作用下实现消旋，最终通过空间碎片抓捕卫星完成捕捉。消旋方法包括：步骤一、力学模型建立；步骤二、求解杆件主体在不同角度所对应的力矩大小；步骤三、得出杆件主体形变产生的角速度变化，最终求出杆件主体形变产生的力矩对于空间旋转碎片的降速。本发明通过消旋杆件折叠吸收能量来实现消旋，消旋时能够保证空间碎片抓捕卫星的安全。

Description

一种空间碎片消旋方法

技术领域

本发明涉及空间碎片捕捉领域，具体涉及一种空间碎片消旋方法。

背景技术

随着空间开发利用活动的增加，空间碎片的数量急剧增多。而空间轨道的资源是有限的，如果不清理空间碎片，待其数量增大到一定程度后，已有碎片之间的碰撞会使产生碎片的速度大于清理的速度，从而引起“凯斯勒”效应，空间将不能再被利用。因此空间碎片的清理是亟待解决的任务。由于大量空间碎片具有旋转特性，这给碎片清理任务带来了难度。在抓捕之前首先要考虑如何使其消旋，因此需要对空间碎片的消旋提出新颖可行的解决方法。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种空间碎片消旋方法，通过杆件的折叠形变实现非合作目标的消旋，结构设置简单，操作可行性高。

为了实现上述目的，本发明空间碎片消旋杆件采用的技术方案为：包括一端与空间碎片抓捕卫星相固连的杆件主体，所述的杆件主体上间隔加工有若干个用于使杆件主体能够进行折叠的槽口，杆件主体的另一端用于接触空间旋转碎片，空间旋转碎片带动杆件主体进行多次折叠，在杆件主体形变能的反作用下实现消旋，最终通过空间碎片抓捕卫星完成捕捉。

所述的杆件主体为圆筒状。

杆件主体采用轻质复合材料制成，所述的槽口为贯穿开设在杆件主体上的椭圆形槽口。

本发明空间碎片消旋杆件的消旋方法，包括如下步骤：

步骤一、力学模型建立；

假定杆件主体在槽口处为弹簧模型，槽口以外的部分为刚体模型；杆件主体与空间碎片抓捕卫星连接处的边界条件满足相对静止约束，空间碎片抓捕卫星能够实现自身的稳定，空间旋转碎片利用杆件主体变形产生的力矩实现自身消旋；将力学模型分解为：

a.空间旋转碎片与杆件主体的动力学问题；

b.空间碎片抓捕卫星保持其自身轨道和姿态的问题；

步骤二、求解杆件主体在不同角度所对应的力矩大小；

步骤三、假定杆件主体变形所受到的力矩大小为M(θ)，而空间旋转碎片的转动惯量为I，则杆件主体在被空间旋转碎片带动而产生的折叠过程中，动力学方程写为：

假定杆件主体形变过程中采集了N个离散点，每个离散点采用线性函数拟合，则力矩与角度的函数关系为：

M(θ)＝a₁θ+a₀， (2)

此处a₁,a₀为力矩拟合函数，将其表示为：

则若将旋转卫星和杆件视为一体，其姿态动力学方程为：

假定参数a₁,a₀由离散点段(θ_i,θ_i+1),i∈[i,N]函数拟合求出，求解方程(3)，得出杆件主体形变产生的角速度变化，最终求出杆件主体形变产生的力矩对于空间旋转碎片的降速。

所述方程(3)的解有如下形式：

①线性化系数a₁＞0，t_i＜＜t＜＜t_i+1；

方程(3)的解为：

上式中c₁,c₂从t＝t_i时刻，初始状态参数θ_i,的参数得到；

②线性化系数a₁＜0，t_i＜t＜t_i+1；

上式c₁,c₂从t＝t_i时刻，初始状态参数θ_i,的参数得到。

综上所述，由公式(3)-(7)求解杆件主体形变产生的角速度变化。

所述通过公式(3)-(7)求解杆件主体形变产生的角速度变化包括如下步骤：

Step1:输入数据θ_i,θ_i+1，以及M_i,M_i+1；

Step2:求出参数a₁,a₀；

Step3:给出初始的角速度假定在θ∈[θ_i,θ_i+1]段，角速度变化较小，则；

Δt＝(θ_i+1-θ_i)/ω_i；t_i+1＝t_i+Δt；

Ste4:求出参数c₁,c₂,α，带入公式(4)或(5)，求解出θ(t),

在N个离散点处，对于N-1个离散段[θ_i,θ_i+1],i∈[1,N]，通过执行Step 1-4求出杆件主体形变产生的力矩对于空间旋转碎片的降速。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：基于能量转移方法，将旋转非合作目标的旋转动量矩传递到主动与其接触的旋转目标上，通过消旋杆件折叠吸收能量，减小空间旋转碎片的转速。由于清理碎片的过程中，空间碎片抓捕卫星与空间旋转碎片保持一定的距离，因此该杆件能够在空间旋转碎片消旋的同时，保证空间碎片抓捕卫星的安全。通过仿真验证，空间碎片消旋杆件在旋转过程中产生形变，对非合作目标的空间旋转碎片产生反作用力矩，使其减速。当非合作目标的转动动能以及转动惯量较小的情况下，2-3次折叠形变就能够实现消旋；对于转动动能以及转动惯量较大的情况，经过多次变形也能实现消旋。本发明消旋方法通过建立力学模型进行力学问题的分解，最终能够准确得出采用本发明消旋杆件进行消旋时，杆件主体形变产生的力矩对于空间旋转碎片的降速，操作可行性高。

附图说明

图1(a)本发明消旋杆件原始状态的三维结构示意图；

图1(b)本发明消旋杆件挤压状态的三维结构示意图；

图1(c)本发明消旋杆件折叠状态的三维结构示意图；

图2(a)本发明消旋杆件实施捕捉的捕捉前过程分解图；

图2(b)本发明消旋杆件实施捕捉的消旋中过程分解图；

图2(c)本发明消旋杆件实施捕捉的消旋后过程分解图

图3本发明消旋杆件形变产生的力矩随着转角的变化关系统计图；

图4当转动惯量为I_z＝20kgm²，转动角速度为ω_z＝60deg/s时，空间旋转碎片角加速度随着杆件主体形变而产生变化的统计图；

图5当转动惯量为I_z＝50kgm²，转动角速度为ω_z＝60deg/s时，空间旋转碎片角加速度随着杆件主体形变而产生变化的统计图；

图6当转动惯量为I_z＝100kgm²，转动角速度为ω_z＝90deg/s时，空间旋转碎片角加速度随着杆件主体形变而产生变化的统计图；

图7当转动惯量为I_z＝200kgm²，转动角速度为ω_z＝90deg/s时，空间旋转碎片角加速度随着杆件主体形变而产生变化的统计图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参见图1(a)，图1(b)，图1(c)以及图2(a)，图2(b)，图2(c)，本发明空间碎片消旋杆件在结构上包括一端与空间碎片抓捕卫星2相固连的杆件主体，杆件主体为圆筒状轻质薄杆，杆件主体上间隔加工有若干个用于使杆件主体能够进行折叠的槽口，槽口为贯穿开设在杆件主体上的椭圆形槽口。杆件主体的另一端用于接触空间旋转碎片1，空间旋转碎片1带动杆件主体进行多次折叠，将旋转能量转移到杆件本身的形变能中，在杆件主体形变能的反作用下实现消旋，最终通过空间碎片抓捕卫星2完成捕捉。槽口的间距和材料本身有关，既能保证杆件不会轻易折断，又能保证杆件最大限度吸收折叠而引起的形变势能。

本发明杆件主体采用轻质复合材料制成，力学特性能够设计，结构变形可以储存能量。

本发明的工作原理为：假设复合材料做成的可展开轻质杆件/弹簧的顶端接触到旋转的非合作目标并与固连，非合作目标会带动轻质杆件转动；因此轻质杆件会随着非合作目标的转动而转动，并在轻质杆件的分接头弹簧处产生形变。弹簧产生的形变会减小非合作目标的转动角速度，因此随着非合作目标的转动以及产生形变的分接头弹簧数量的增加，目标的角速度逐渐减小，直到停止转动。假定一颗在轨卫星失控，绕着本体的惯性主轴旋转。一个主航天器携带有一根轻质的弹簧杆件去接触失控卫星。杆件的一端与旋转卫星表面通过黏贴或其他方式固连。这样旋转目标会带动杆件进行转动，而杆件在分头弹簧处会产生变形。通过多次分头弹簧的变形，非合作目标卫星的转动角速度会逐渐减小，从而达到整体消旋的目的。

本发明空间碎片消旋杆件的消旋方法，包括如下步骤：

步骤一、力学模型建立；

假定杆件主体在槽口处为弹簧模型，槽口以外的部分为刚体模型；杆件主体与空间碎片抓捕卫星2连接处的边界条件满足相对静止约束，空间碎片抓捕卫星2能够实现自身的稳定，空间旋转碎片1利用杆件主体变形产生的力矩实现自身消旋；将力学模型分解为：

a.空间旋转碎片1与杆件主体的动力学问题；

b.空间碎片抓捕卫星2保持其自身轨道和姿态的问题；

步骤二、求解杆件主体在不同角度所对应的力矩大小；轻质复合材料杆件所受的力矩和其形变角度密切相关，该形变角度和力矩大小的关系可以采用ABAQUS软件计算出来。通过对数据的插值，即能够求解杆件主体在不同角度所对应的力矩大小。

步骤三、假定杆件主体变形所受到的力矩大小为M(θ)，而空间旋转碎片1的转动惯量为I，则杆件主体在被空间旋转碎片1带动而产生的折叠过程中，动力学方程写为：

假定杆件主体形变过程中采集了N个离散点，每个离散点采用线性函数拟合，则力矩与角度的函数关系为：

M(θ)＝a₁θ+a₀， (2)

此处a₁,a₀为力矩拟合函数，将其表示为：

则若将旋转卫星和杆件视为一体，其姿态动力学方程为：

假定参数a₁,a₀由离散点段(θ_i,θ_i+1),i∈[i,N]函数拟合求出，方程(3)的解有如下形式：

①线性化系数a₁＞0，t_i＜＜t＜＜t_i+1；

方程(3)的解为：

上式中c₁,c₂从t＝t_i时刻，初始状态参数θ_i,的参数得到；

②线性化系数a₁＜0，t_i＜t＜t_i+1；

上式c₁,c₂从t＝t_i时刻，初始状态参数θ_i,的参数得到。

综上所述，由公式(3)-(7)求解杆件主体形变产生的角速度变化，包括如下步骤：

Step1:输入数据θ_i,θ_i+1，以及M_i,M_i+1；

Step2:求出参数a₁,a₀；

Step3:给出初始的角速度假定在θ∈[θ_i,θ_i+1]段，角速度变化较小，则；

Δt＝(θ_i+1-θ_i)/ω_i；t_i+1＝t_i+Δt；

Ste4:求出参数c₁,c₂,α，带入公式(4)或(5)，求解出θ(t),

在N个离散点处，对于N-1个离散段[θ_i,θ_i+1],i∈[1,N]，通过执行Step 1-4求出杆件主体形变产生的力矩对于空间旋转碎片(1)的降速。

算例分析：估算空间碎片消旋杆件的作用下，对旋转航天器的影响。

假定航天器的转动惯量为I_z，转动的角速度为ω_z。旋转航天器和杆件主体固连，实现消旋。杆件主体力矩函数的参数值采用数据拟合来求解。当杆件主体受到的力矩已知，则旋转卫星也收到了该力矩的作用，其角加速度为，

则在经过一个接口弹簧，旋转非合作星体角速度变化为：

则经过n个接口弹簧后，非合作目标星体的角速度变化为：

根据材料的基本参数，采用ABAQS软件计算出在杆件弯曲时产生的力矩，如图3所示。

参见图4-7，由仿真结果可见，该轻质弹性杆件在旋转过程中产生形变，对非合作目标的空间旋转碎片产生反作用力矩，使其减速。当非合作目标的转动动能以及转动惯量较小的情况下，2-3次折叠形变就能够实现消旋；对于转动动能以及转动惯量较大的情况，需要多次变形能实现消旋。仿真结果显示，采用轻质弹性杆件形变来实现消旋的思路是可行的。

Claims (3)

1.一种空间碎片消旋方法，其特征在于，使用空间碎片消旋杆件，空间碎片消旋杆件包括一端与空间碎片抓捕卫星(2)相固连的杆件主体，所述的杆件主体上间隔加工有若干个用于使杆件主体能够进行折叠的槽口，杆件主体的另一端用于接触空间旋转碎片(1)，空间旋转碎片(1)带动杆件主体进行多次折叠，在杆件主体形变能的反作用下实现消旋，最终通过空间碎片抓捕卫星(2)完成捕捉；包括如下步骤：

步骤一、力学模型建立；

假定杆件主体在槽口处为弹簧模型，槽口以外的部分为刚体模型；杆件主体与空间碎片抓捕卫星(2)连接处的边界条件满足相对静止约束，空间碎片抓捕卫星(2)能够实现自身的稳定，空间旋转碎片(1)利用杆件主体变形产生的力矩实现自身消旋；将力学模型分解为：

a.空间旋转碎片(1)与杆件主体的动力学问题；

b.空间碎片抓捕卫星(2)保持其自身轨道和姿态的问题；

步骤二、求解杆件主体在不同角度所对应的力矩大小；

步骤三、假定杆件主体变形所受到的力矩大小为M(θ)，而空间旋转碎片(1)的转动惯量为I，则杆件主体在被空间旋转碎片(1)带动而产生的折叠过程中，动力学方程写为：

假定杆件主体形变过程中采集了N个离散点，每个离散点采用线性函数拟合，则力矩与角度的函数关系为：

M(θ)＝a₁θ+a₀， (2)

此处a₁,a₀为力矩拟合函数，将其表示为：

则若将旋转卫星和杆件视为一体，其姿态动力学方程为：

假定参数a₁,a₀由离散点段(θ_i,θ_i+1),i∈[i,N]函数拟合求出，求解方程(3)，得出杆件主体形变产生的角速度变化，最终求出杆件主体形变产生的力矩对于空间旋转碎片(1)的降速。

2.根据权利要求1所述的空间碎片消旋方法，其特征在于，方程(3)的解有如下形式：

①线性化系数a₁＞0，t_i＜＜t＜＜t_i+1；

方程(3)的解为：

上式中c₁,c₂从t＝t_i时刻，初始状态参数θ_i,的参数得到；

②线性化系数a₁＜0，t_i＜t＜t_i+1；

上式c₁,c₂从t＝t_i时刻，初始状态参数θ_i,的参数得到；

综上所述，由公式(3)-(7)求解杆件主体形变产生的角速度变化。

3.根据权利要求2所述的空间碎片消旋方法，其特征在于，通过公式(3)-(7)求解杆件主体形变产生的角速度变化包括如下步骤：

Step1:输入数据θ_i,θ_i+1，以及M_i,M_i+1；

Step2:求出参数a₁,a₀；

Step3:给出初始的角速度假定在θ∈[θ_i,θ_i+1]段，角速度变化较小，则；

Δt＝(θ_i+1-θ_i)/ω_i；t_i+1＝t_i+Δt；

Ste4:求出参数c₁,c₂,α，带入公式(4)或(5)，求解出θ(t),

在N个离散点处，对于N-1个离散段[θ_i,θ_i+1],i∈[1,N]，通过执行Step1-4求出杆件主体形变产生的力矩对于空间旋转碎片(1)的降速。