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1、第19卷第2期飞行力学Vol.19No.22001年6月FLIGHTDYNAMICSJune2001文章编号:100220853(2001)0220073205PIB模型在空间碎片环境建模中的运用马晓宇,崔平远(哈尔滨工业大学深空探测基础研究中心,黑龙江哈尔滨150001)摘要:运用“箱中粒子”模型(PIB)对空间碎片环境的演变趋势进行了研究。首先介绍了PIB半解析性的模型:在建模过程中,把空间碎片的运动视为在一巨大箱体中任意运动的粒子,有其自身输入输出机制;随后,对近地轨道碎片环境进行多层多种类碎片的划分,在此基础上将PIB模型运用于近地轨道环境中,建立多层、分类PIB模型;利用国外文献
2、中的观测资料进行仿真,对未来空间碎片环境的演变作出了预测。关键词:空间碎片;箱中粒子;轨道碎片环境;碎片环境模型中图分类号:V528文献标识码:A引言不得不设计多重防护墙以保护暴露于空间的巨大[2]表面。因此有必要对空间碎片环境进行研究。空间碎片环境建模的目的是对空间碎片分布空间碎片根据其来源可分为两大类:一类源状况及其发展趋势作出预测。通过建立空间碎片于自然界本身的流星、陨石。主要集中于011mm[1]模型来评估当前的碎片环境、评估航天器在轨运级的流星体,以20kmös的平均速度运行。在近行时的碰撞风险、预示未来的碎片环境,从而为航地轨道(2000km)内,聚集了总量约为200kg的天器
3、的空间碎片防护设计提供依据,为研究开发微流星体。空间碎片的缓减技术提供评估环境。本文首先引另一类则是由于人为因素造成的空间物体。[3]入了“箱中粒子”PIB模型,通过对碎片环境中在近地轨道区域驻留着约3000000kg的人造物引起碎片增加与衰减的因素进行描述,建立了碎体,绝大部分质量集中于近3000个废弃的火箭片环境“输入”与“输出”机制。其中,“输入”源于上面和废弃的有效载荷上。根据地面观测站的观人类发射活动、在轨物体的碰撞等因素;而“输出”测数据,对返回式实验卫星表面撞痕进行分析,有则是由大气阻力、人为收集等促使碎片减少的因如下推断:直径小于1cm的碎片约1000kg;直素造成。径小于
4、1mm的碎片约300kg,其平均运行速度[1]约为10kmös。1PIB模型的引入人造空间碎片与自然界的微流星体对航天器在外层空间的运行造成了巨大威胁。对运行于近假定某一空间区域中空间碎片总数为N,则:地轨道的航天器而言,人造碎片引起的危害更为õdNõN==∑Ni(1)严重。比如国际空间站由于其预计运行周期长,就dt收稿日期:2001203201;修订日期:2001205219作者简介:马晓宇(19772)男,山西祁县人,硕士生,从事空间碎片环境模型的研究及相应软件包的开发工作;崔平远(19612),男,山东青岛人,工学博士,教授,博士生导师,哈尔滨工业大学深空探测基础研究中心主任。主要研
5、究方向为:非线性控制、智能控制、神经网络建模与控制、信息融合理论等。74飞行力学第19卷·式中,N表示特定轨道区域内某一时刻t空间碎片素的影响。由于小碎片具有较大的面积质量比,更·易受大气阻力的影响。总数的变化率,Ni表示各因素对碎片总量的õ贡献。N3=P3N(5)式中,P3为由大气阻力引起的碎片衰减比率。111碎片输入机制分析1.2.2人为回收及专用收集器对碎片环境的1.1.1发射活动对空间碎片环境的影响影响在过去的几十年中,世界各国进行了很多空利用有能力返回地面的航天器将轨道上的空间活动。在发射有效载荷的同时,不可避免地向外间碎片收集并带回地面,达到清除的目的。目前只层空间引入了为数众
6、多的空间碎片。航天活动具有美国的航天飞机和俄罗斯的“进步号”货舱可以有可干预性,因此由发射活动引起的碎片增量可做到。通过相关政策,以及具体任务需求进行调节。õN4=P4(6)由于发射原因而引起的在轨物体爆炸对碎片式中,P4为每年回收数目占碎片总量的比率。环境造成的影响不容忽视。在轨物体的爆炸具有专用收集器使用于清除轨道上的大量微小碎一定特殊性,其后果为爆炸产生的大量小碎片取片。一般是在轨道上放置大直径球形收集器,当小代原有物体,整体质量保持不变,但总面积大幅增块碎片与收集器相撞时会被吸附于收集器,或者加。综合两方面分析可得:õ减速最终从轨道上衰落。N1=Lave(Pave+P1E)(2)õ
7、N5=P5N(7)式中,Lave为世界范围内平均每年的发射次数;Pave式中,P5为回收器收集系数;为每次发射所产生的碎片数;P1为年爆炸次数与由此可对特定轨道区域内碎片沉浮机制进行发射次数之比;E为爆炸产生的碎片数。1.1.2碎片间碰撞对碎片环境的影响描述。õõ2碎片间碰撞是促成碎片数量增多的主要因N=Lave(Pave+P1E)+P2HN+素。根据碰撞理论可知:碰撞碎片生成数与碎片总P3N+P4+P5N数的平方成正比
