面向空间碎片清除的可重复侵彻飞锚系统设计及实验研究

发布时间：2020-09-18 16:39

　　 随着人类空间活动的增多,空间碎片的数量也以惊人的速度增长着。看似尺寸不大的空间碎片可能会对航天器造成毁灭性的影响。同时由于空间碎片的自然衰减过程相当缓慢,并且已存在的空间碎片之间又会不断发生“凯斯勒效应”(Kessler Syndrome),最终可能会使得轨道资源无法再被利用。因此要想改善空间环境,人类必须尽快进行空间碎片的主动清除工作。然而目前还没有成熟的可以运用于空间碎片清除的手段,基于这种考虑,本文提出了一种高效的可重复侵彻飞锚捕获空间碎片的方法,并进行了相关的理论研究、结构设计和实验验证等工作。首先,基于空腔膨胀理论和统一强度理论建立了飞锚侵彻靶板的理论模型,推导出了飞锚侵彻靶板过程中所受阻力的表达式,进而为后面的飞锚系统的结构设计提供理论支持;然后通过该模型和ANSYS WORKBENCH软件对飞锚侵彻靶板的过程进行了分析,并对常见的三种不同锚头形状(锥形头,卵形头和半球形头)飞锚的侵彻能力进行了比较;同时建立了飞锚侵彻多层靶板和斜侵靶板的理论模型并对其进行了仿真分析;并且对该飞锚系统的锚固理论进行了简要分析。其次,进行了可重复侵彻飞锚系统的飞锚本体结构设计和与之对应的可重复发射回收装置的结构设计。对于飞锚本体结构,设计了一种可重复伸缩结构,通过该机构,飞锚可以顺利地完成和目标空间碎片之间连接和分离的任务,为后续目标碎片的拖拽和清除等任务的执行做准备;同时对该飞锚本体的附着结构部分的锚固力进行了分析和仿真;然后针对可重复性的特点进行相应的发射回收装置的结构设计,并使之可以重复地完成飞锚的发射和回收工作。重点针对飞锚系统发射速度快和作用力大的特点,进行了飞锚发射前限位机构的设计;同时应用ANSYS WORKBENCH软件分别对所设计的飞锚本体结构和发射回收装置结构进行了仿真分析。最后,进行了地面实验平台的设计和搭建,并对所设计的飞锚系统进行了实验验证,包括飞锚本体的可重复伸展实验、一系列飞锚侵彻靶板(垂直侵彻/斜侵/多层)的实验和发射回收部分装置结构的实验。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：V42
【部分图文】：

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第 1 章 绪论1.1 引言自从 1957 年苏联人将造地球 1 号卫星成功送入太空以后，人类探索太空的脚步就从未停止。60 多年来，人类已进行了 5000 多次空间发射活动，发射入轨的航天器超过 6000 个[1]。然而随人类空间活动的日益增多，空间碎片的数量也以惊人的速度增长着。截至 2017 年，直径 10cm 以上的在轨空间碎片数量多达将近 16000个，而直径小于 10cm 的空间碎片数量则数以亿计[2-3]。空间碎片的主要分布范围是高度2000km以下的近地轨道(LEO)和高度约为3.6万km的地球同步轨道(GEO)，其分布情况分别如图 1-1 所示。

图 1-2 LEO、MEO、GEO 上大碎片数量的预测结果[11]图 1-3 低轨空间空间碎片数量仿真结果[12]近年来，各航天大国也都意识到，为了避免空间环境的继续恶化，仅仅依靠

- 3 -图 1-3 低轨空间空间碎片数量仿真结果[12]近年来，各航天大国也都意识到，为了避免空间环境的继续恶化，仅仅依碎片自然衰减或实施碎片减缓措施还远远不够，即使不再生成新的碎片，但空中已有的碎片与碎片、碎片与卫星之间的碰撞也仍将继续，从而产生更多的碎片因此要想改善空间环境，必须尽快进行空间碎片的主动清除工作。

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 苏罗川;宜晨虹;刘文杰;汤铁钢;;轻质抗侵彻材料及结构研究现状[J];兵器装备工程学报;2018年01期

2 李争;刘元雪;谭仪忠;张裕;;钨合金动能弹超高速侵彻钢靶的破坏特性[J];后勤工程学院学报;2016年01期

3 惠江海;尚雅玲;许皓文;;战斗部高速侵彻过载随外形变化规律[J];现代防御技术;2015年05期

4 Sniper;;雷霆快枪,谁来买账[J];小哥白尼(军事科学画报);2017年02期

5 于润祥;石庚辰;;硬目标侵彻引信计层技术现状与展望[J];探测与控制学报;2013年05期

6 何丽灵;陈小伟;;高速深侵彻概念弹质量损失及头形钝化的表征模型[J];武汉理工大学学报;2013年10期

7 杨建超;左新建;何翔;金栋梁;;弹体高速侵彻混凝土质量侵蚀实验研究[J];实验力学;2012年01期

8 张莉英;付宏鸽;郑广花;;侵彻弹对建筑物目标的毁伤仿真研究[J];战术导弹技术;2010年01期

9 曾必强;姜春兰;李明;茶晓燕;;侵彻弹斜侵彻多层介质的三维数值仿真[J];弹道学报;2008年02期

10 范中波,李恩征,张凤国,韩冰;对厚水层及多层间隙金属靶平面斜侵彻全物理过程的数值模拟研究[J];爆炸与冲击;2002年01期

相关会议论文 前10条

1 武海军;黄风雷;王一楠;;高速弹体非正侵彻混凝土试验研究[A];第八届全国爆炸力学学术会议论文集[C];2007年

2 蒋建伟;门建兵;王树有;;混凝土侵彻数值计算方法的对比分析[A];庆祝中国力学学会成立50周年暨中国力学学会学术大会’2007论文摘要集（下）[C];2007年

3 吕中杰;;弹体斜侵彻混凝土过程中的方向偏转[A];第九届全国冲击动力学学术会议论文集（下册）[C];2009年

4 吕中杰;徐钰巍;段卓平;黄风雷;;带弱连接结构弹体斜侵彻混凝土[A];中国力学学会学术大会'2009论文摘要集[C];2009年

5 徐翔云;沈俊;陈小伟;何翔;;弹体高速侵彻混凝土效应理论研究[A];岩石力学与工程的创新和实践：第十一次全国岩石力学与工程学术大会论文集[C];2010年

6 屈超;郭伟国;左红星;;侵彻参数变化对减加速度曲线的影响[A];第六届全国爆炸力学实验技术学术会议论文集[C];2010年

7 张柏华;陈宜亨;姚成宝;;高速碎片侵彻某型号靶材的破坏概率研究[A];第十届全国冲击动力学学术会议论文摘要集[C];2011年

8 姜茜;李金柱;;弹丸非正侵彻加筋板结构数值模拟研究[A];中国力学大会——2013论文摘要集[C];2013年

9 邵长顺;梁增友;王耀琦;赵文杰;邓德志;;弹体斜侵彻复合靶数值模拟研究[A];OSEC首届兵器工程大会论文集[C];2017年

10 路志超;董永香;葛超;宋卿;;刚性弹丸对中厚靶斜侵彻弹道特性研究[A];第六届全国强动载效应及防护学术会议暨2014年复杂介质/结构的动态力学行为创新研究群体学术研讨会论文集[C];2014年

相关重要报纸文章 前2条

1 本报专稿 陈光文;以伊“矛盾战”骤然升级[N];世界报;2012年

2 谢方;“战斗”在这里打响[N];解放军报;2005年

相关博士学位论文 前10条

1 邓勇军;钢筋混凝土靶侵彻的动态空腔膨胀阻力模型研究[D];中国工程物理研究院;2019年

2 卢正操;混凝土侵彻模型及其热力学本构模型研究[D];中国科学技术大学;2019年

3 刘志林;卵形头部动能弹高速侵彻钢筋混凝土机理研究[D];南京理工大学;2018年

4 满晓飞;短间隔多次高冲击实验装置关键技术研究[D];南京理工大学;2017年

5 孙其然;弹道材料冲击响应的若干问题研究[D];南京理工大学;2018年

6 冯君;混凝土材料离散单元多尺度模拟及其在侵彻问题中的应用[D];南京理工大学;2017年

7 杨华伟;尖卵形长杆弹侵彻半无限混凝土靶的动力学行为研究[D];太原理工大学;2018年

8 王树有;串联侵彻战斗部对钢筋混凝土介质的侵彻机理[D];南京理工大学;2006年

9 刘飞;爆炸成型弹丸（EFP）研制及其工程破坏效应研究[D];中国科学技术大学;2006年

10 王政;弹靶侵彻动态响应的理论与数值分析[D];复旦大学;2005年

相关硕士学位论文 前10条

1 李强;面向空间碎片清除的可重复侵彻飞锚系统设计及实验研究[D];哈尔滨工业大学;2019年

2 张元迪;不同速度撞击下卵形弹侵彻混凝土靶的研究[D];中国科学技术大学;2019年

3 刘永佑;刚性平头弹侵彻钢筋混凝士的阻力研究[D];太原理工大学;2019年

4 刘宇航;玻璃纤维增强聚丙烯基复合材料的侵彻性能研究[D];哈尔滨工程大学;2019年

5 韩晓斐;多层侵彻炸药装药应力仿真与测试技术研究[D];中北大学;2019年

6 黄用;基于电容检测的抗高冲击计层传感器设计[D];中北大学;2019年

7 王耀羚;平头弹体低速超低速侵彻铝靶板过载特性研究[D];西南科技大学;2019年

8 委凯琪;牛鲨牙齿特性及其仿生侵彻试验研究[D];吉林大学;2018年

9 梁化鹏;低侵彻弹的侵彻特性研究[D];南京理工大学;2018年

10 余曜;单兵弹药侵彻目标时爆炸驱动增速技术研究[D];南京理工大学;2018年

本文编号：2821904