【摘 要】
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随着各国对卫星星座的不断布局,空间中失效卫星类的大型空间碎片越来越多,对太空安全造成了巨大威胁。由于大型空间碎片处于高速旋转状态,无法直接对其进行主动移除,必须在抓捕前对大动量碎片进行消旋处理。接触式消旋效率最高,其中减速刷消旋为柔性冲击且扰动小,其消旋效果依赖于柔性刷末端特性,因此现阶段迫切需要对柔性刷消旋动力学特性进行系统研究。本文通过建立考虑双漂浮效应、柔性刷弯曲变形、摩擦等因素的柔性刷动力
【基金项目】
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河北省教育厅青年拔尖人才计划项目基金（BJ2019049）；
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随着各国对卫星星座的不断布局,空间中失效卫星类的大型空间碎片越来越多,对太空安全造成了巨大威胁。由于大型空间碎片处于高速旋转状态,无法直接对其进行主动移除,必须在抓捕前对大动量碎片进行消旋处理。接触式消旋效率最高,其中减速刷消旋为柔性冲击且扰动小,其消旋效果依赖于柔性刷末端特性,因此现阶段迫切需要对柔性刷消旋动力学特性进行系统研究。本文通过建立考虑双漂浮效应、柔性刷弯曲变形、摩擦等因素的柔性刷动力学模型,研究柔性刷末端消旋接触过程中的动力学特性,并进行相关地面消旋试验研究,为柔性刷消旋末端设计及仿真提供理论指导,为验证柔性刷消旋效果提供技术支撑。柔性刷消旋动力学模型是研究柔性刷消旋动力学特性的基础。首先对大型空间碎片进行了在轨运动状态分析,然后针对大型空间碎片瞬时等效运动特点进行柔性刷消旋研究。运用混合坐标法描述柔性刷在接触消旋过程中的弯曲变形以及平面运动,并将柔性刷接触消旋过程分为初碰撞、弯曲接触、分离三个阶段,考虑柔性刷弯曲变形、双漂浮效应、摩擦等因素分析了柔性刷在接触消旋过程的接触作用力,将该力定义为柔性刷系统的广义外力,应用Hamilton原理建立柔性刷消旋系统动力学模型。采用建立的动力学模型对柔性刷在消旋接触过程中的动力学特性进行仿真分析研究。分别研究了不同柔性刷参数对消旋效果的影响规律,通过对比分析得到了柔性刷末端设计的最优参数指标以及消旋深度设计范围。进而分析了最优参数下在非理想接触状态时柔性刷与帆板不同时接触的消旋动力学特性。最后进行了柔性刷双侧对称消旋研究,目标星经过24次接触消旋后角速度成功衰减至0.451 deg/s,最短消旋时间为251.839 s,消旋效率可达98.5%,验证了双侧柔性刷消旋不仅可以制约目标星平移而且可以提高角速度衰减效率。针对空间碎片瞬时运动状态以及柔性刷消旋特点分别设计了目标星模拟器和服务星模拟器,搭建了地面消旋试验系统,进行了目标星自由衰减试验、柔性刷冲击特性试验以及柔性刷消旋试验。考虑地面消旋试验中空气阻力的影响,以不同柔性刷长度、消旋深度、消旋角度为例进行了试验与仿真的对比分析,消旋力平均误差小于8.5%,单次角速度衰减平均误差小于7.5%,验证了消旋动力学模型的可靠性以及最优柔性刷参数下消旋效果的有效性。
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