近地軌道空間碎片環(huán)境工程模型建模技術(shù)研究.pdf

1、日益增加的空間碎片嚴重威脅著在軌航天器的安全運行。對于已編目的大尺寸碎片，航天器可通過碰撞預警實施軌道機動躲避其撞擊威脅；而對于數(shù)量眾多、無法準確記錄軌道的小尺寸碎片，需建立空間碎片環(huán)境工程模型描述其時空分布規(guī)律，進而通過風險評估對航天器采用適當?shù)姆雷o設計措施來抵御其撞擊威脅。國際上已發(fā)布多種工程模型，但其建模數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)處理手段并未完全公開，且認可度最高的ORDEM系列模型的最新版本對我國進行了技術(shù)封鎖，我國航天事業(yè)的發(fā)展對建立自主工

2、程模型提出了迫切需求。
　　基于上述現(xiàn)狀，本文從組成近地軌道區(qū)域的各種空間碎片源出發(fā)建立工程模型，其中包括建模數(shù)據(jù)源的獲取、建模數(shù)據(jù)源的數(shù)學處理方法以及工程模型建模方法及模型精度評估等。本文主要研究內(nèi)容包括：
　　首先，基于歐空局最新發(fā)布的源模型分析獲得各種空間碎片源的尺寸、面質(zhì)比以及速度增量等參數(shù)的分布規(guī)律，明確了不同空間碎片源的特性。
　　其次，提出不計周期項攝動影響的空間碎片軌道長期演化算法，為后續(xù)從源模型出發(fā)獲

3、取工程模型建模數(shù)據(jù)源提供了高效的軌道演化工具。軌道長期演化算法中重點分析地球非球形J2項、大氣阻力、日月引力以及太陽光壓等攝動源一階解中的長期項，忽略周期項的作用，在此基礎上結(jié)合大氣阻力的作用范圍，確立了不同高度區(qū)域空間碎片軌道長期演化算法，并通過與STK軟件運行結(jié)果進行比較，驗證了本文軌道長期演化算法具有可靠的精度和較高的效率。
　　第三，在地球外層空間三維網(wǎng)格離散化基礎上，提出了通過離散空間碎片的軌道根數(shù)來計算空間碎片在空間單

4、元內(nèi)的停留概率，進而得到高效的計算空間密度和通量的算法?？臻g碎片在空間單元內(nèi)的停留概率是計算空間密度和通量最核心的難點，利用源模型模擬生成的空間碎片環(huán)境演化數(shù)據(jù)量較大，通過計算空間碎片在空間單元內(nèi)的停留時間進而得到停留概率的做法耗時久、效率低。為提高計算效率，通過等分空間碎片的平近點角獲得空間碎片運行軌跡上一系列離散點，將空間碎片在空間單元內(nèi)的停留概率用僅含軌道離散份數(shù)單一參數(shù)的“靜態(tài)”函數(shù)直接表征，進而得到計算空間密度和通量的高效算法

5、。該算法避開了停留時間的計算過程，將計算停留概率這一“動態(tài)”問題轉(zhuǎn)化為“靜態(tài)”問題，極大地提高了計算效率。
　　第四，基于編目物體歷年數(shù)據(jù)信息以及濺射物和剝落物模型，分別建立了歷年濺射事件和剝落事件統(tǒng)計數(shù)據(jù)表，引入源事件8年周期循環(huán)模型預測未來各種源事件數(shù)據(jù)表，結(jié)合各種源事件數(shù)據(jù)表以及軌道長期演化算法，模擬生成了各種源空間碎片環(huán)境演化數(shù)據(jù)，為建立工程模型提供建模數(shù)據(jù)源?；跉v年編目物體數(shù)據(jù)以及濺射物和剝落物各自的產(chǎn)生特點，分別建立

6、了1957年~2010年的濺射和剝落事件統(tǒng)計數(shù)據(jù)表。對于未來空間碎片環(huán)境的變化趨勢，引入源事件8年周期循環(huán)模型，建立了2011年~2050年的各種源事件數(shù)據(jù)表。在此基礎上，結(jié)合已開發(fā)的空間碎片軌道長期演化算法，利用歐空局最新源模型和各種源事件數(shù)據(jù)表模擬生成了1957年~2050年各種源空間碎片環(huán)境演化數(shù)據(jù)。
　　第五，建立了近地軌道空間碎片環(huán)境工程模型LEO-SDEEM并驗證其預測精度，在此基礎上進一步討論了大氣旋轉(zhuǎn)因素對工程模型

7、預測結(jié)果的影響。以源模型模擬生成的各種源空間碎片環(huán)境演化數(shù)據(jù)作為建模數(shù)據(jù)源，以軌道根數(shù)離散化方法作為數(shù)據(jù)處理手段，建立了LEO-SDEEM模型，并通過與典型原位探測數(shù)據(jù)以及歐空局和NASA發(fā)布的空間碎片環(huán)境模型輸出結(jié)果進行比較，驗證了工程模型的預測精度。在此基礎上，假定大氣的旋轉(zhuǎn)速度與地球自轉(zhuǎn)速度相等，進一步分析了大氣旋轉(zhuǎn)因素對工程模型預測精度的影響，結(jié)果表明考慮大氣的旋轉(zhuǎn)不會顯著改變空間碎片的總量，兩種大氣條件下各種碎片源隨高度和軌道

8、傾角的分布趨勢基本相同，大氣旋轉(zhuǎn)主要使各種碎片源在軌道高度1000km以下區(qū)域的分布出現(xiàn)不同程度的波動。
　　最后，基于已建立的LEO-SDEEM模型，以CSBM解體模型替代歐空局解體模型，分析解體模型不同參數(shù)分布對工程模型預測結(jié)果的影響。利用CSBM解體模型生成了碰撞解體碎片環(huán)境演化數(shù)據(jù)，建立了基于CSBM解體模型的工程模型LEO-SDEEM(CSBM)，通過比較LEO-SDEEM(CSBM)與LEO-SDEEM模型的差異，結(jié)果

9、表明CSBM解體模型主要對工程模型毫米級及以上空間碎片預測結(jié)果有影響。
　　綜上，針對我國缺乏小空間碎片環(huán)境實測數(shù)據(jù)這一現(xiàn)狀，本文提出了從源模型出發(fā)建立近地軌道空間碎片環(huán)境工程模型的基本流程和思路，提出了高效的空間碎片軌道長期演化算法，開發(fā)了軌道根數(shù)離散化方法來計算空間密度和通量，生成了解體碎片、熔渣、粉塵、NaK液滴、濺射物以及剝落物的空間碎片環(huán)境演化數(shù)據(jù)，建立了近地軌道空間碎片環(huán)境工程模型LEO-SDEEM，分析了大氣旋轉(zhuǎn)以及