Electrodynamic Tethered Deorbit System Dynamics and Performance Analysis

Electrodynamic tethered deorbit technology is a novel way to remove abandoned spacecrafts like upper stages or unusable satellites. This paper investigates and analyses the deorbit performance and mission applicability of the electrodynamic tethered system. To do so, the electrodynamic tethered deorbit dynamics with multi-perturbation is firstly formulated, where the Earth magnetic field, the atmospheric drag, and the Earth oblateness effect are considered. Then, the key system parameters, including payload mass, tether length and tether type, are analyzed by numerical simulations to investigate their influences on the deorbit performance and to give the setting principles for choosing system parameters. Based on this and given an appropriate group of system parameters, numerical simulations are undertaken to study the impact of the mission parameters, including orbit height and orbit inclination, and thus to investigate the mission applicability of the electrodynamic tethered deorbit technology.

地基激光辐照近地轨道小尺度空间碎片作用规律研究

通过研究脉冲激光与铝靶碎片的膨胀运动以及冲量耦合的相互作用,仿真分析了铝靶碎片在等离子体作用下的速度和压力时空分布规律以及冲量耦合系数与激光功率密度之间的定量关系;在此基础上,建立了基于地基的脉冲激光辐照近地轨道小尺度空间碎片动力学变轨仿真模型,模拟研究了近地轨道小尺度空间碎片移除过程中轨道偏心率与近地点高度随激光脉冲数目变化的影响规律。结果表明:在最优冲量耦合系数作用下,当脉冲数目达到180次轨道偏心率为0.071时,基于此文的条件可实现近地轨道小尺度空间碎片的有效移除。预期成果可为高能激光移除近地空间碎片技术的应用提供技术指导。

电动力绳系离轨技术性能与任务适应性分析

电动力绳系离轨技术属于被动离轨方式,适用于火箭末级、失效卫星等废弃飞行器快速离轨。针对这项新颖的离轨技术,通过建立多场耦合摄动下的离轨动力学模型,研究并分析了该技术的离轨性能和适用的离轨任务类型,用于指导工程实践及控制方案设计。首先建立多场耦合摄动下的电动力绳系离轨动力学模型,基于数值仿真,验证该项技术的有效性及优越性,并重点研究了不同影响因素下的离轨性能,据此提出了系统参数的设置原则。再通过设置合理的系统参数,分析电动力绳系离轨技术的可适用任务类型。分析结果表明,电动力绳系离轨技术适用于非极轨道的废弃飞行器离轨任务。

基于电动力缆绳的卫星离轨时间预测

研究了电动力缆绳拉力产生的原理,建立了电动力缆绳离轨的数学模型和精确地磁场模型,并用Matlab对电动力缆绳离轨的过程进行了数学仿真,对离轨时间进行了预测,为以后进行电动力缆绳空间实验提供依据。离轨时间与地磁场模型的精确程度有密切关系,地磁场模型越精确,估算的离轨时间越接近真实值。

电动力缆绳离轨系统中绳索建模研究

空间碎片对在轨运行航天器的安全构成重大威胁,使废弃卫星脱离原轨道进入大气层烧毁是减少空间碎片的有效途径。利用导电缆绳与地磁场相互作用产生的洛仑兹力使卫星特别是低地球轨道卫星的轨道高度快速衰减是一种很有应用前景的离轨方式。在研究电动力缆绳离轨的刚性杆模型基础上,建立了更符合电动力缆绳特性的柔索模型,并对刚性杆模型和柔索模型进行仿真。结果表明柔索模型能更精确地体现电动力缆绳的性质。

地基激光辐照空间碎片降轨模型研究

针对激光空间碎片主动清除问题,研究了地基脉冲激光清除空间碎片的基本原理,分析了速度增量作用位置对降轨效果的影响,在此基础上建立了空间碎片降轨模型,通过案例仿真计算验证了模型的合理性。研究结果对地基激光空间碎片清除有一定的借鉴意义。

考虑面内外摆角对电动绳系离轨过程的参数影响分析

利用电动绳系实现空间碎片自主离轨有广阔的应用前景。受洛伦兹力矩和重力梯度力矩作用,绳系姿态将在当地垂线附近振荡。首先采用拉格朗日法建立电动绳系面内外姿态动力学模型;随后结合国际地磁场模型,给出洛伦兹力和洛伦兹力矩的计算方法;最后结合姿态动力学模型和高斯摄动方程,建立了电动绳系离轨数值仿真模型,在考虑无摆角、仅有面内摆角、有面内外摆角的条件下,对电动绳系离轨过程进行仿真对比。仿真结果说明,电动绳系姿态振荡对离轨有明显影响,只有考虑绳系姿态,才能精确预测轨道参数的变化。

一种高效利用天基激光能量清除空间碎片的方法

针对日益增长的空间碎片污染太空环境问题,建立了天基激光能量清除空间碎片的降轨模型。重点讨论了速度增量与空间碎片速度的夹角对近地点高度降低的影响,并考虑到天基平台与空间碎片作用距离的影响,从能量利用率的角度出发,提出了能量分配系数(CEA)的概念。基于CEA,设计出关于脉冲激光能量分配的策略,并与脉冲激光能量平均方式清除空间碎片的方式进行对比分析,说明了脉冲激光能量分配策略的有效性,提高了天基激光能量利用能力,达到了高效清除空间碎片的目的。

火箭末级电动绳系离轨动力学建模与分析

电动绳系是实现近地轨道(LEO)区域空间碎片自主离轨的有效途径。受重力梯度力矩和安培力矩的综合作用,电动绳系系统在当地垂线方向是振荡的。为分析电动绳系姿态运动对离轨过程的影响,本文采用拉格朗日方法,首先建立了电动绳系面内外姿态动力学模型,分析了面内外姿态运动的解耦条件,随后结合第十一代国际地磁场参考模型,给出了安培力和安培力矩的计算方法。最后,本文建立了电动绳系离轨数值仿真模型,在考虑和不考虑面内摆动的条件下,对电动绳系的离轨过程进行了仿真对比。仿真结果说明,电动绳系在轨运行期间面内姿态是动态变化的,且对离轨速度影响明显,因此考虑姿态运动对电动绳系离轨过程分析是必要的。

接触电阻对电动力缆绳离轨特性的影响

使用电动力缆绳系统离轨卫星的关键之一是缆绳系统与空间等离子体之间的相互作用,因此,有必要研究电动力缆绳系统与空间等离子体之间的接触电阻对电动力缆绳离轨特性的影响。首先针对一类电动力缆绳离轨系统分析了回路中的电阻类型,然后利用TSS-1R卫星的电流-电压关系建立了电动力缆绳离轨系统末端球形收集器与空间等离子体之间的接触电阻的计算公式,并在十三阶精确地磁场模型和国际参考电离层1990模型下,利用轨道六要素法分析了该接触电阻对卫星离轨时间、轨道高度和轨道半长轴的影响。分析和仿真结果表明对于所给电动力缆绳离轨系统和参数,接触电阻对电动力缆绳离轨特性的影响是很大的。

离轨薄膜帆原子氧侵蚀的缺陷密度效应数值模拟研究

离轨薄膜帆在离轨过程中要长期暴露在低地轨道较为恶劣的空间环境中,其中原子氧对帆面薄膜材料的侵蚀效应会导致帆面结构损伤严重。为了合理评估离轨薄膜帆帆面材料的寿命,本文基于对帆面孔隙、裂纹、折痕等缺陷的试验表征结果,采用蒙特卡洛数值模拟方法,建立数值仿真模型,分析不同尺度缺陷下原子氧对帆面材料的侵蚀情况,重点研究了帆面薄膜材料的原子氧掏蚀缺陷密度效应。以离轨帆从750km轨道经历38个月的离轨过程为例进行研究,计算结果表明:帆面宽度缺陷为500nm和1μm时,原子氧侵蚀作用下掏蚀形貌深度分别为1.2μm和1.4μm,掏蚀宽度分别为600nm和1.1μm。通过将仿真结果与NASA的长期暴露试验结果进行比对,验证了模型的有效性。该模型可为离轨帆寿命评估提供初步的理论依据。

电动力缆绳离轨系统中绳索的2D动力学模型

讨论了利用电动力缆绳使近地轨道上废弃卫星离轨的基本原理及优点,通过分析电动力缆绳的受力和运动方式,建立电动力缆绳系统的绳索模型,利用虚功原理推导出电动力缆绳自由振动的二维偏微分方程,使用有限差分法离散电动力缆绳振动方程并求其数值解,并用Matlab编写程序进行数值仿真。仿真表明:该文建立的绳索2D动力学模型可以大致反映出电动力缆绳在离轨过程中的振动特性,横向振动的幅值远大于纵向振动的幅值,电动力缆绳的主要振动形式是横向振动。