近地轨道空间碎片环境工程模型建模技术研究

发布时间：2017-09-22 12:32

  本文关键词：近地轨道空间碎片环境工程模型建模技术研究

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【摘要】：日益增加的空间碎片严重威胁着在轨航天器的安全运行。对于已编目的大尺寸碎片,航天器可通过碰撞预警实施轨道机动躲避其撞击威胁;而对于数量众多、无法准确记录轨道的小尺寸碎片,需建立空间碎片环境工程模型描述其时空分布规律,进而通过风险评估对航天器采用适当的防护设计措施来抵御其撞击威胁。国际上已发布多种工程模型,但其建模数据源和数据处理手段并未完全公开,且认可度最高的ORDEM系列模型的最新版本对我国进行了技术封锁,我国航天事业的发展对建立自主工程模型提出了迫切需求。基于上述现状,本文从组成近地轨道区域的各种空间碎片源出发建立工程模型,其中包括建模数据源的获取、建模数据源的数学处理方法以及工程模型建模方法及模型精度评估等。本文主要研究内容包括:首先,基于欧空局最新发布的源模型分析获得各种空间碎片源的尺寸、面质比以及速度增量等参数的分布规律,明确了不同空间碎片源的特性。其次,提出不计周期项摄动影响的空间碎片轨道长期演化算法,为后续从源模型出发获取工程模型建模数据源提供了高效的轨道演化工具。轨道长期演化算法中重点分析地球非球形J2项、大气阻力、日月引力以及太阳光压等摄动源一阶解中的长期项,忽略周期项的作用,在此基础上结合大气阻力的作用范围,确立了不同高度区域空间碎片轨道长期演化算法,并通过与STK软件运行结果进行比较,验证了本文轨道长期演化算法具有可靠的精度和较高的效率。第三,在地球外层空间三维网格离散化基础上,提出了通过离散空间碎片的轨道根数来计算空间碎片在空间单元内的停留概率,进而得到高效的计算空间密度和通量的算法。空间碎片在空间单元内的停留概率是计算空间密度和通量最核心的难点,利用源模型模拟生成的空间碎片环境演化数据量较大,通过计算空间碎片在空间单元内的停留时间进而得到停留概率的做法耗时久、效率低。为提高计算效率,通过等分空间碎片的平近点角获得空间碎片运行轨迹上一系列离散点,将空间碎片在空间单元内的停留概率用仅含轨道离散份数单一参数的“静态”函数直接表征,进而得到计算空间密度和通量的高效算法。该算法避开了停留时间的计算过程,将计算停留概率这一“动态”问题转化为“静态”问题,极大地提高了计算效率。第四,基于编目物体历年数据信息以及溅射物和剥落物模型,分别建立了历年溅射事件和剥落事件统计数据表,引入源事件8年周期循环模型预测未来各种源事件数据表,结合各种源事件数据表以及轨道长期演化算法,模拟生成了各种源空间碎片环境演化数据,为建立工程模型提供建模数据源。基于历年编目物体数据以及溅射物和剥落物各自的产生特点,分别建立了1957年~2010年的溅射和剥落事件统计数据表。对于未来空间碎片环境的变化趋势,引入源事件8年周期循环模型,建立了2011年~2050年的各种源事件数据表。在此基础上,结合已开发的空间碎片轨道长期演化算法,利用欧空局最新源模型和各种源事件数据表模拟生成了1957年~2050年各种源空间碎片环境演化数据。第五,建立了近地轨道空间碎片环境工程模型LEO-SDEEM并验证其预测精度,在此基础上进一步讨论了大气旋转因素对工程模型预测结果的影响。以源模型模拟生成的各种源空间碎片环境演化数据作为建模数据源,以轨道根数离散化方法作为数据处理手段,建立了LEO-SDEEM模型,并通过与典型原位探测数据以及欧空局和NASA发布的空间碎片环境模型输出结果进行比较,验证了工程模型的预测精度。在此基础上,假定大气的旋转速度与地球自转速度相等,进一步分析了大气旋转因素对工程模型预测精度的影响,结果表明考虑大气的旋转不会显著改变空间碎片的总量,两种大气条件下各种碎片源随高度和轨道倾角的分布趋势基本相同,大气旋转主要使各种碎片源在轨道高度1000km以下区域的分布出现不同程度的波动。最后,基于已建立的LEO-SDEEM模型,以CSBM解体模型替代欧空局解体模型,分析解体模型不同参数分布对工程模型预测结果的影响。利用CSBM解体模型生成了碰撞解体碎片环境演化数据,建立了基于CSBM解体模型的工程模型LEO-SDEEM(CSBM),通过比较LEO-SDEEM(CSBM)与LEO-SDEEM模型的差异,结果表明CSBM解体模型主要对工程模型毫米级及以上空间碎片预测结果有影响。综上,针对我国缺乏小空间碎片环境实测数据这一现状,本文提出了从源模型出发建立近地轨道空间碎片环境工程模型的基本流程和思路,提出了高效的空间碎片轨道长期演化算法,开发了轨道根数离散化方法来计算空间密度和通量,生成了解体碎片、熔渣、粉尘、Na K液滴、溅射物以及剥落物的空间碎片环境演化数据,建立了近地轨道空间碎片环境工程模型LEO-SDEEM,分析了大气旋转以及解体模型不同参数分布等因素对工程模型预测精度的影响。本文研究成果为航天器防护结构设计提供了数据支持,也为进一步研究高轨空间碎片环境提供了技术基础,具有一定的理论指导意义和工程应用价值。
【关键词】：近地轨道空间碎片环境 工程模型 演化数据 空间密度 通量 轨道根数离散化算法
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V528
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-19
• 第1章 绪论19-39
• 1.1 空间碎片问题概况19-21
• 1.1.1 空间碎片环境19-20
• 1.1.2 空间碎片的来源20-21
• 1.1.3 空间碎片的危害21
• 1.2 空间碎片环境探测21-24
• 1.2.1 地基探测21-23
• 1.2.2 天基探测23-24
• 1.3 空间碎片环境模型24-29
• 1.3.1 空间碎片环境特点及其表征方法24-27
• 1.3.2 演化模型27
• 1.3.3 工程模型27-29
• 1.4 空间碎片环境模型研究进展29-33
• 1.4.1 国外研究现状29-32
• 1.4.2 国内研究现状32-33
• 1.5 存在的问题与分析33-36
• 1.6 本文主要研究内容36-39
• 第2章 空间碎片源模型39-64
• 2.1 引言39
• 2.2 解体模型39-45
• 2.2.1 尺寸数量分布40-41
• 2.2.2 面质比分布41-44
• 2.2.3 速度增量分布44
• 2.2.4 MASTER改进解体模型44-45
• 2.3 固体火箭发动机喷射物模型45-49
• 2.3.1 熔渣模型45-47
• 2.3.2 粉尘模型47-49
• 2.4 NaK液滴模型49-53
• 2.4.1 罗辛-拉姆勒(Rosin-Rammler)方程49-50
• 2.4.2 顶部NaK液滴泄漏50-51
• 2.4.3 底部NaK液滴泄漏51-52
• 2.4.4 NaK液滴尺寸分布52-53
• 2.5 溅射物模型53-57
• 2.5.1 质量分布55
• 2.5.2 尺寸数量分布55-56
• 2.5.3 速度增量分布56-57
• 2.6 航天器表面剥落物模型57-59
• 2.6.1 尺寸数量分布58
• 2.6.2 剥落速率58-59
• 2.7 微流星体模型59-62
• 2.7.1 平均通量59-60
• 2.7.2 速度分布60
• 2.7.3 质量密度分布60-61
• 2.7.4 微流星体对航天器的影响61-62
• 2.8 本章小结62-64
• 第3章 空间碎片轨道长期演化算法64-83
• 3.1 引言64
• 3.2 空间碎片轨道摄动理论64-68
• 3.2.1 轨道摄动方程64-66
• 3.2.2 地球非球形摄动66
• 3.2.3 日月引力摄动66-67
• 3.2.4 太阳光压摄动67-68
• 3.3 大气阻力摄动68-75
• 3.3.1 静止大气68-69
• 3.3.2 旋转大气69-70
• 3.3.3 大气阻力摄动方程的数学处理70-71
• 3.3.4 大气阻力对空间碎片寿命的影响71-75
• 3.4 轨道长期演化算法75-81
• 3.4.1 轨道演化算法75-76
• 3.4.2 算例分析76-81
• 3.5 本章小结81-83
• 第4章 空间碎片的空间密度和通量算法83-106
• 4.1 引言83
• 4.2 空间密度83-85
• 4.3 通量85-88
• 4.3.1 表面通量85-86
• 4.3.2 截面通量86-87
• 4.3.3 撞击期望估计87-88
• 4.4 空间密度和通量的数值算法88-94
• 4.4.1 空间离散化88-89
• 4.4.2 空间密度数值算法89-90
• 4.4.3 通量数值算法90-94
• 4.5 空间碎片轨道根数离散化方法94-99
• 4.5.1 轨道根数离散化方法95-97
• 4.5.2 轨道根数离散准则97-99
• 4.6 轨道根数离散法的应用99-104
• 4.6.1 双行元数据轨道参数分布100-102
• 4.6.2 空间密度分布102-103
• 4.6.3 通量分布103-104
• 4.7 本章小结104-106
• 第5章 基于各种源事件的空间碎片环境演化数据106-145
• 5.1 引言106
• 5.2 源模型模拟总体方案106-109
• 5.3 爆炸碰撞解体碎片109-115
• 5.3.1 解体事件模拟109-110
• 5.3.2 典型解体事例110-113
• 5.3.3 历次爆炸碰撞解体事件113-115
• 5.4 固体火箭发动机喷射物115-125
• 5.4.1 固体火箭发动机点火事件模拟115-116
• 5.4.2 典型熔渣喷射算例116-120
• 5.4.3 典型粉尘喷射算例120-122
• 5.4.4 历次固体火箭发动机点火事件122-125
• 5.5 NaK液滴125-132
• 5.5.1 NaK液滴泄漏事件模拟125-127
• 5.5.2 典型NaK液滴泄漏事例127-130
• 5.5.3 历次NaK液滴泄漏事件130-132
• 5.6 溅射物132-136
• 5.6.1 溅射事件模拟132-135
• 5.6.2 溅射物分布135-136
• 5.7 航天器表面剥落物136-138
• 5.7.1 剥落事件模拟136-137
• 5.7.2 剥落物分布137-138
• 5.8 空间碎片环境发展趋势预测138-143
• 5.8.1 爆炸碰撞解体事件139-140
• 5.8.2 固体火箭发动机点火事件140-142
• 5.8.3 溅射事件142
• 5.8.4 剥落事件142-143
• 5.9 本章小结143-145
• 第6章 近地轨道空间碎片环境工程模型建模145-190
• 6.1 引言145
• 6.2 空间碎片环境工程模型建模方法145-149
• 6.2.1 工程模型建模基本流程145-146
• 6.2.2 工程模型数据存储格式146
• 6.2.3 工程模型工作模式146-147
• 6.2.4 LEO-SDEEM软件界面147-149
• 6.3 工程模型计算精度分析149-162
• 6.3.1 望远镜/雷达评估模式150-156
• 6.3.2 航天器评估模式156-160
• 6.3.3 未来空间碎片环境预测160-162
• 6.4 工程模型应用162-172
• 6.4.1 航天器风险分析162-166
• 6.4.2 评估突发解体事件166-168
• 6.4.3 保护空间碎片环境168-171
• 6.4.4 指导空间碎片环境探测171-172
• 6.5 大气旋转对工程模型预测结果的影响172-188
• 6.5.1 空间碎片数量随时间的变化对比172-178
• 6.5.2 空间碎片在不同高度区间的分布对比178-179
• 6.5.3 空间碎片随轨道参数的分布对比179-184
• 6.5.4 工程模型预测结果对比184-188
• 6.6 本章小结188-190
• 第7章 CSBM解体模型在工程模型建模中的应用实践研究190-205
• 7.1 引言190
• 7.2 CSBM解体模型190-193
• 7.2.1 解体程度191
• 7.2.2 质量数量分布191-192
• 7.2.3 面质比分布192-193
• 7.2.4 速度增量分布193
• 7.3 碰撞解体碎片193-197
• 7.3.1 典型碰撞解体事例193-195
• 7.3.2 历次碰撞解体195-197
• 7.4 基于CSBM解体模型的工程模型197-204
• 7.4.1 望远镜/雷达评估模式197-199
• 7.4.2 航天器评估模式199-201
• 7.4.3 航天器风险分析201-204
• 7.5 本章小结204-205
• 结论205-209
• 参考文献209-221
• 附录A 历年解体事件221-226
• 攻读博士学位期间发表、待发表的学术论文226-228
• 致谢228-229
• 个人简历229

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本文编号：900852