[发明专利]一种空间飞网抛射展开参数确定方法

说明书

一种空间飞网抛射展开参数确定方法，以解决空间飞网在轨发射、展开、包络捕获目标全过程难以准确预示的难题。首先基于ANCF柔索单元建立空间飞网动力学模型，然后通过对飞网在轨抛射、展开、捕获全过程的数值仿真，提取出抛射角度、抛射速度、牵引块质量等关键参数对飞网抛射捕获性能的影响，得到结果参数，包括最大展开抛射距离、最大展开时间、有效捕获面积维持距离与维持时间，进而利用最小二乘法建立关于飞网抛射关键参数与飞网捕获结果参数的多元线性回归模型，最后在考虑飞网抛射误差的影响下，确定飞网成功捕获目标的判断依据和计算飞网捕获目标的概率，并利用回归模型对飞网在轨捕获任务进行优化设计。

技术领域

本发明属于数值计算模拟方法技术领域，涉及空间飞网发射、展开、包络捕获目标整个过程的参数确定以及结果模拟。

背景技术

随着人类对太空的不断深入开发，由于故障和寿命等原因产生越来越多的空间碎片，因此需要对空间碎片实施有效捕获和主动清除。空间飞网捕获是一种新型航天器概念，可以实现对空间失稳或非合作目标远距离、宽范围和误差容错捕捉，比传统的机械臂抓捕，其控制机构更为简单，能耗更小，在空间在轨服务、飞行器回收、轨道清理、空间拦截等领域具有巨大的应用潜力。

空间飞网系统由轻质绳索编织，通过牵引质量块带动飞网弹出展开，对目标实施捕获，然后通过系绳对捕获目标进行回收或离轨操作。由于空间环境的特殊性，系统的发射状态、发射条件、捕获策略的制定，均需要提前在地面进行抛射展开、捕获收口的准确预示，为此需要对飞网的全柔性结构建立动力学模型，模拟在轨捕获目标任务过程，以满足对不同目标的捕获要求。因此，建立精确动力学模型，并提取出不同发射条件和基础参数对飞网展开和捕获过程的影响，是飞网关键参数确定及捕获分析的难点技术。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对空间飞网在轨发射、展开、包络捕获目标全过程难以准确预示的难题，提出了空间飞网抛射展开参数确定方法，简化飞网抛射展开与捕获的特征参数，拟合出捕获结果，为地面设计人员进行相关工作提供理论支撑。

本发明采用的技术解决方案是：

一种空间飞网抛射展开参数确定方法，所述方法具体包含以下步骤：

(1)建立飞网动力学模型，包括ANCF绳网动力学模型、碰撞力计算模型以及摩擦力计算模型；

(2)基于建立的飞网动力学模型，实现飞网抛射阶段、展开阶段、面型保持飞行阶段以及捕获包络阶段全过程动力学仿真，得到飞网在不同抛射参数下的捕获性能结果参数；

(3)基于提取出的捕获性能结果参数，结合对应的飞网初始抛射参数，建立多元线性回归模型；

(4)基于多元线性回归模型进行数值仿真，得到飞网成功捕获目标判断依据，并计算出给定误差限下飞网捕获目标成功概率，最后依靠所述多元线性回归模型对飞网在轨抛射捕获任务进行优化。

所述建立ANCF绳网动力学模型具体步骤包括：

(1.1)忽略柔索的扭转变形，仅考虑轴向变形和弯曲变形，第j个柔索单元中轴线上任一点x处的位置矢量用广义坐标表示为

^jr(x,t)＝S(x)^jq(t)

其中S(x)为三维ANCF柔索单元的形函数，具体形式如下，无量纲的ξ定义为ξ＝x/L，L为未变形状态下单元长度；q(t)为广义坐标，r(x,t)为x点到单元端点的矢量；

(1.2)柔索上任意一点的速度矢量写为：

(1.3)柔索单元j的动能T为：

其中ρ和A分别为柔索单元的密度和横截面积，为ANCF柔索单元的常值质量矩阵；