一种复杂空间飞网系统参数优化设计方法

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1、航空学报ActaAerOnauticaetAstronauticaSinicaOct．252016VoI．37No．103064．3073ISSN1000-6893CN11-1929／Vhttp：∥hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cn一种复杂空间飞网系统参数优化设计方法王晓慧*，万长煌，夏人伟北京航空航天大学宇航学院，北京100083摘要：由轻质软绳索编织而成的空间飞网是为非合作目标捕获而提出的空间系统概念，在空间碎片和废弃航天器处理方面具有很大的应用潜力。从平台抛射出后，飞网在空间形成不稳定的网形，且网形变化规律受初始参数设

2、计的影响较大。针对空间飞网系统设计与试验中系统参数匹配问题，本文提出以容错值作为飞网展开性能的定量描述，从捕获任务的层面，建立面向捕获容错的空间飞网系统参数优化数学模型；以抓捕固定距离、确定大小的目标任务为算例，联合Isight优化平台与ANSYS／L孓Dyna求解，得到飞网系统最优参数匹配，算例仿真结果表明结果的适用性；最后，利用试验设计和极差分析方法验证最优点的稳定性。研究的模型与方法为开展空间飞网系统地面及空间试验等工程应用提供理论依据。关键词：空间飞网系统；参数匹配；优化模型；容错值；实验设计中图分类号：V19；V476．5文献标识码：A文章编号

3、：1000—6893(2016)10一3064—10随着人类对空间资源的开发与利用，空间废弃卫星和轨道碎片对在轨航天器的安全影响日渐严重[1_]。2001年，欧空局提出利用绳系飞网捕获地球静止轨道卫星的ROGER(RoboticGeo—stationaryOrbitRestorer)计划，以解决地球静止轨道资源日趋紧张的问题[5。6]。应用飞网系统来捕获空间非合作目标是一种新兴的在轨捕获技术概念‘7—9

4、。与机械臂为代表的刚性捕获相比，飞网捕获具有安全性高、对载体航天器影响小、能耗低等优点，在航天器回收、轨道清理等领域有着巨大的应用潜力[10。11]。对

5、于空间飞网捕获，较多的研究集中于飞网捕获总体规划[12。173以及捕获系统绳系动力学建模与控制方面口8‘25

6、，针对飞网形态变化及系统参数优化的研究较少[26_27]。空间飞网在发射展开与抓捕过程中，网的柔性绳索可能经历多次的松弛和张紧的状态变化，网的空间位形也随之改变，其运动变形属于复杂的物体运动[28‘30

7、。研究这类问题主要通过数值仿真和大量的物理试验两种方法[3m31]。由于空间飞网应用于轨道微重力环境，所需试验条件在地面难以实现，试验成本也限制了可开展试验的次数。同时，设计空间大、设计经验较少也使得试验参数匹配问题困难。数值仿真则利用成熟的有限

8、元软件或自编程序对空间飞网抛射展开过程进行模拟与分析，计算机仿真的灵活性和低成本使得其在空间飞网的研究与设计中更具优势。在这方面，国内外对空间飞网捕获的研究主要集中于柔性网动力学建模和有限元仿真模型的细化[31。“]。基于仿真的优化设计研究多采取在单维空间中寻优，未考虑全设计变量空间寻优问题。收稿日期：2015．09．19；退修日期：2015—11—03；录用日期：2016-02．29；网络出版时间：2016-03-2216：00网络出版地址：www．cnki．net／kcms／detail／11．1929．V．20160322．1600．004．htm

9、I基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金(YwF-13-zY-02；YwF一14一FGc一024)*通讯作者．Tel．：010-82338763E-mail：xhwang@buaa．edu．cn礅用撂武

10、王晓慧．万长煌，夏人伟，一种复杂空闻飞两系统参数优化设计方法￡J]航空学报．2016．37(10)：3064-3073．wANGxH，WANcH．x

11、ARwjParameterso。timizationdesi∞met№dof∞mpleXs口aoe-websystem￡JI．AclaAemnauticaelAslronautlcas{n}ca．2016

12、，37({o)：3064—3073．王晓慧，等：一种复杂空问飞网系统参数优化设计方法本文主要基于飞网有限元仿真，针对空间飞网发射展开过程，通过对比在指定位置处飞网网口展开面积与目标最大包络球的截面面积，构造出容错值函数，用以描述飞网展开捕获性效果，并以容错值为优化目标，构建了空间飞网参数优化的数学模型，通过计算分析优化算例，验证了空间飞网优化建模方法与模型的有效性，同时说明了针对抓捕一定距离的空间目标，飞网系统的牵引块质量、发射速度、发射角度存在最优匹配。本文对空间飞网系统参数的优化建模与方法可为空间飞网系统设计与试验提供理论依据。1空间飞网捕获系统空间

13、飞网捕获系统为同轴式发射器，主要部分为4个牵引块、网箱和飞网，如图1所示。网箱固