近地轨道空间碎片环境工程模型建模技术研究

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1、博士学位论文近地轨道空间碎片环境工程模型建模技术研究RESEARCHONMODELLINGTECHNOLOGYOFSPACEDEBRISENVIRONMENTENGINEERINGMODELINLOWEARTHORBIT彭科科哈尔滨工业大学2015年12月国内图书分类号：V528P133P135+.1学校代码：10213国际图书分类号：52629密级：公开工学博士学位论文近地轨道空间碎片环境工程模型建模技术研究博士研究生：彭科科导师：庞宝君教授副导师：肖伟科副教授申请学位：工学博士学科：航空宇航科学与技术所在单位：航天学院答辩

2、日期：2015年12月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:V528P133P135+.1U.D.C:52629DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringRESEARCHONMODELLINGTECHNOLOGYOFSPACEDEBRISENVIRONMENTENGINEERINGMODELINLOWEARTHORBITCandidate：PengKekeSupervisor：Prof.PangBaojunAssociateSupervisor：Associ

3、ateProf.XiaoWeikeAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：AeronauticalandAstronauticalScienceandTechnologyAffiliation：SchoolofAstronauticsDateofDefence：December,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要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

4、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

5、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

6、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

7、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-I-摘要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

8、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