太空探索步伐的加快造成了空间碎片数量的爆发式增长,空间碎片对空间轨道资源的可使用性和可持续性构成了极大威胁,采取必要的主动手段是解决空间碎片威胁的主要途径。空间绳网清除是一种针对大型空间非合作目标实施的捕获拖离式的清除手段,具有操作距离远、容错范围大、应用灵活等特点,是当前空间碎片清除领域研究的热点问题。空间绳网系统工作过程分为展开、碰撞、离轨三个阶段,其中绳网展开阶段最为复杂,是典型的高维非线性大变形问题,涉及到变质量、刚柔耦合以及非线性稳定等理论难题。进行绳网展开过程动力学建模研究是空间绳网系统仿真分析与优化设计的关键。本文针对空间绳网展开过程动力学与优化设计进行了数值仿真与试验研究,取得了相应的研究成果。(1)柔性绳索精细化建模技术研究。阐述了柔性绳索的几何非线性特征及数值建模方法;建立了基于集中参数法的绳索单元的集中质量-半阻尼弹簧模型;进一步引入伪柔性有限元技术,建立了考虑绳索弯曲特性的伪有限元模型,并推广至绳网的三角形网目单元和菱形网目单元,获得了既能虑绳索弯曲特性又同时适用于大规模计算的绳索精细化计算模型。(2)绳网系统发射展开动力学与试验验证研究。针对空间绳网系统的展开过程,推导了惯性系下刚体的绝对轨道运动方程和轨道系下集中质点的相对运动方程;建立了基于绳索精细化计算模型的绳网系统展开过程动力学模型,结合绳索参数测定、绳网出舱阻力测定及绳网展开性能测试等地面试验数据,对模型进行了验证。基于该模型进行了绳网展开过程在太空和地面环境下的差异分析。(3)绳网系统发射展开过程数值仿真研究。建立了包括绳网设计指标、展开性能指标以及力学强度指标在内的空间绳网系统评价指标体系;从防缠绕和提升展开性能的角度出发,提出了空间绳网系统二级发射模式和多点牵拉模式,开展了两种模式下的数值仿真和地面试验研究;以三角形网目、四边形网目和菱形网目绳网为例进行了不同网目构型绳网展开特性分析;基于小弹性模量法开展了空间绳网构型优化设计。(4)绳网展开过程多目标优化设计研究。针对空间网捕系统的任务规划,提出了绳网展开过程的多目标优化设计问题;建立了基于Kriging代理模型技术和MOEA/D-EGO耗时优化算法的优化设计框架;开展了基于在轨捕获能力和系统成本的空间网捕系统展开过程多目标优化设计,得到了绳网尺寸、发射角度、发射速度、质量块质量等关键设计参数的最优解,可用于指导空间网捕系统的优化设计。(5)绳网系统捕获全过程动力学集成仿真技术研究。针对空间绳网系统捕获全过程,建立了绳网系统拉出展开、碰撞捕获和拖曳离轨阶段的多尺度动力学模型;基于参数化方法建立了空间网捕系统工作全过程的集成仿真框架;建立了集可视化窗口与人机交互界面为一体的集成仿真平台,用于解决空间绳网捕获系统全程优化设计问题。本文围绕空间网捕系统展开过程的相关动力学问题,研究了绳索/绳网动力学建模与试验验证方法、绳网展开设计关键问题仿真分析、系统多目标优化设计和捕获全过程集成仿真分析技术,并应用于空间网捕系统动力学分析和试验设计中。论文对于发展空间绳网式碎片清除技术具有重要指导意义和工程价值。