面向大型空间碎片清除的飞锚系统及其可重复侵彻与附着理论研究

Space debris are the manmade objects of space activities, which maybe lead to invalidation and explosion of the spacecraft when colliding with them at high speed. ADR (Active Debris Removal) is the basic method of solving Kessler Syndrome. This project will study the capturing and removal methods of large non-cooperative target aiming at the primary problems of space debris. After analyzing the present situation and combining the foundation of NSFC, a novel inner capturing method of the flying anchor is presented for ADR of large space debris. This method can avoid the difficult problem of outer capture point identification and arrest of non-cooperative targets due to space debris nutation, which allows flexible capturing repetitively at a large distance. According to study on the flying anchor repeat penetrating and anchoring theory for multilayer medium and anchor system with its experimental platform, the problems of capturing for tumbling large non-cooperative target and vertical/oblique penetration and repeat anchor based on different types of metal and composite material medium identity can be solved. The key technologies of flying anchor design and penetration/anchor can be broken through simultaneously. This project study has great application value and significance for the safety of spacecraft, sustainable utilization of orbit space and control outer space.

空间碎片是人类空间活动的产物，高速的空间碎片撞击上航天器时会导致航天器失效或爆炸，主动清除空间碎片是解决Kessler效应的根本方法。本项目针对目前空间碎片主动清除首要问题，即大型非合作空间碎片的捕获清除开展研究。通过分析国内外现状，并结合青年基金项目基础，提出一种新式的飞锚内部抓捕方法完成对大型空间碎片的捕获和主动清除。这种方法可以避免由于碎片的章动等造成的非合作目标外部捕获点识别及抓捕的难题，可远距离重复柔性抓捕。通过开展飞锚对多层目标介质的侵彻理论、飞锚对目标介质可重复附着理论和飞锚系统及其地面试验平台的研究，解决具有进动、章动等复杂姿态运动规律的大型非合作失稳碎片的抓捕、基于多种金属和复合材料组合介质特性的飞锚垂直/斜侵彻以及多目标介质可重复侵彻及附着问题，突破飞锚系统设计和重复侵彻与附着关键技术。本研究对于保证航天器安全运行、可持续利用轨道空间和控制空间具有重要意义和应用价值。

根据Kessler效应，太空间中的碎片数量会缓慢而不可避免的增加，主动清除空间碎片技术是解决空间碎片威胁的根本办法。本项目提出了一种新式的利用飞锚内部抓取方法完成对大型空间碎片的捕获和主动清除，并对飞锚对大型空间碎片的侵彻理论、侵彻之后的附着理论两个关键问题展开了深入研究和试验验证。本项目主要取得了以下的研究成果：（1）建立了飞锚垂直侵彻空间碎片的花瓣破坏模型，描述了侵彻过程中飞锚的能量消耗与飞锚直径、锚尖半锥角、靶板材料、靶板厚度之间的数学关系；（2）建立了飞锚斜垂直侵彻空间碎片的花瓣破坏模型，并对斜侵彻过程中飞锚角度偏转与斜侵彻角度之间的数学关系进行了研究和描述；（3）建立了飞锚侵彻空间碎片过程中能量消耗的神经网络预测模型，通过仿真获得大量的侵彻数据，以锚体参数和靶板参数为输入，以侵彻消耗能量为输出；（4）建立了飞锚对侵彻后的空间碎片的锚固理论模型，描述了空间碎片所能承受的最大锚固力与靶板材料、靶板厚度、飞锚直径、锚固件参数之间的数学关系；（5）设计空间碎片侵彻与锚固的地面试验平台，并对飞锚垂直/斜侵彻单层、多层空间碎片以及侵彻后的空间碎片的锚固问题进行了试验研究，证明了所提出的理论模型的正确性；（6）根据所提出的侵彻与锚固理论模型，对飞锚结构以及关键参数进行了设计，并设计了飞锚系统整体结构，飞锚系统包含飞锚本体、发射结构、卷线结构、碎片回收结构和飞锚定位回收结构。本项目圆满的完成了所有的研究内容，在我国发展空间战略以及军事和商业前景上有着重大意义。