考虑空间碎片防护的航天器总体布局设计方法

With the augment of space debris, effects on the on-orbit spacecraft could not be ignored, and shielding against orbital debris is one factor that should be considered in spacecraft design and operation. For tiny space debris smaller than one centimeter, optimizing overall design project and establishing shielding structure are the most effective method for lack of precise tracking and warning. In-depth collision analysis of spacecraft and space debris is conducted by considering spacecraft shape and orbit-attitude character, together with comparing space debris environment models between home and overseas and studying the distributing character of space debris. Considering the functional influence of components on overall, the damage evaluation model of spacecraft function is established based on damage tree analysis method. According to the spacecraft components damage by space debris, the total damage of spacecraft system can be assessed and the collision risk index can be achieved. Space debris shielding is introduced to spacecraft overall layout design. A multi-index comprehensive method is applied to evaluate the spacecraft overall layout schemes and the intelligent optimization algorithm is proposed for layout parameter optimization with the collision risk index as an important influence factor.

随着空间碎片数目的急剧增加，航天器在轨运行过程中所受到的空间碎片的影响越来越不容忽视，碎片防护成为航天器设计与运行中必须考虑的重要因素。对于尺寸在厘米级以下的微小碎片，由于无法进行精确跟踪和预警，优化航天器总体设计方案和设置防护结构等方法是目前最为有效的防护手段。对国内外空间碎片环境模型进行比较分析，研究空间碎片分布特征，并结合航天器外形及运行轨道、姿态特点，深入开展航天器与空间碎片的碰撞分析；考虑航天器部件-整体的功能影响关系，基于损伤树方法建立航天器功能损伤评估模型，根据航天器遭遇空间碎片碰撞后部件损伤程度，进一步完成航天器整体损伤评估，给出碰撞风险指标；将空间碎片防护引入航天器总体布局设计过程，以碰撞风险指标为重要影响因素，采用多指标综合评价方法实现航天器总体布局方案评价，采用智能优化算法实现布局参数优化。

随着空间碎片数目的急剧增加，航天器在轨运行过程中受到的空间碎片的影响越来越不容忽视，碎片防护成为航天器设计与运行中必须考虑的重要因素。对于尺寸在厘米级以下的微小碎片，由于无法进行精确跟踪和预警，优化航天器总体设计方案和设置防护结构等方法是目前最为有效的防护手段。本项目研究了考虑空间碎片防护的航天器总体布局设计方法。主要研究成果如下： .提出了航天器与空间碎片碰撞概率计算方法，建立了空间碎片碰撞风险评估模型。1）基于历史观测数据对空间碎片环境特征进行深入分析，提出了空间碎片的空间密度分布、流量分布、速度分布以及碰撞方位角分布等计算方法；2）以计算机图形学的隐面消除算法为基础，研究给出了一种遮挡处理算法，判断某一单元在碎片来流方向是否被其它部分所遮挡。在网格化建模和遮挡处理的基础上建立了风险评估模型，可有效评估航天器与空间碎片的碰撞风险。.建立了航天器考虑空间碎片碰撞风险的设备布局优化模型，提出了航天器总体布局设计方案优化方法。1）建立了航天器空间碎片碰撞风险指标，提出了考虑空间碎片碰撞风险的设备布局优化模型；2）以人造卫星舱二维圆形布局设计为背景构建航天器二维布局优化模型。依据空间碎片风险评估模型建立航天器在轨运行过程中的碰撞风险指标，然后综合考虑空间利用率、平衡特性、空间碎片碰撞风险等指标进行航天器的布局优化设计；3）以立方星三维布局设计为背景构建航天器三维布局优化模型。以多学科优化集成优化框架iSIGHT为基础开发了航天器三维布局优化软件，综合考虑平衡特性、空间碎片碰撞风险等指标进行航天器的布局优化设计。.提出了基于多指标综合评价方法的布局方案决策策略。1）提出了智能Pareto过滤方法，减轻Pareto解集过大给决策者带来的困难；2）研究了布局方案综合评价与决策流程，建立了布局方案多指标决策模型，解决了有限数目条件下的布局方案排序与优选问题。.项目研究提出了系统的在轨航天器空间碎片碰撞风险评估方法，从空间碎片防护的角度提出了考虑空间碎片碰撞风险的航天器总体布局设计方法，具有显著的理论和实践意义。 .项目成果出版学术专著一部，在Journal of Spacecraft and Rockets, Advances in Space Research等上发表学术论文12篇，其中SCI收录8篇、EI收录4篇；在本项目支持下，2名硕士研究生顺利毕业。