图 文 导 读

图1 Graphical abstract

随着航天技术的发展，各国政府积极进行空间探测，使空间目标数量急剧增加、空间资源日趋紧张。若空间碎片与在轨航天器发生碰撞，将对航天器造成损伤甚至解体等严重后果。为营造良好深空探测环境，实现针对空间碎片的高效捕获与移除是我国在轨服务领域必须突破的瓶颈技术。网捕装置可用于各种轨道高度、不同结构尺寸的空间目标清理，具有较好通用性及较强鲁棒性。然而，由于柔性绳网结构在展开过程中要经历非线性的几何变形；捕获过程中要面临与被捕目标之间的接触碰撞；收口过程中要考虑与收口绳之间的复杂连接，空间网捕过程的动力学分析存在模型精度差、计算效率低、行为预示难等问题，严重制约了绳网结构在空间捕获任务中的进一步应用。为有效解决上述问题，很有必要针对空间网捕装置发展全新仿真分析模型与行为预示方法。

东南大学黄炜成副教授、航天八院邹怀武研究员、重庆大学潘勇军副教授合作在《国际机械系统动力学学报（英文）》（International Journal of Mechanical System Dynamics, IJMSD）发表题为“空间网捕过程动力学仿真：发射、接触、收口”的研究论文。该文首先采用离散微分几何描述柔性绳网的非线性动力学行为，其次选择多维增量势能泛函来实现柔性绳网与刚性目标之间的边界非线性接触和碰撞，最后针对系统收口闭合机理，提出了绳-环简化降阶耦合算法，实现了空间网捕系统发射展开、捕获接触、收口闭合全过程行为预示。所提方法可为空间碎片主动清除系统的优化设计与在线控制提供有效指导。

Abstract：In this study, we develop an exhaustive numerical simulator for the dynamic visualization and behavior prediction of the tether-net system during the whole space debris capture phases, including spread, contact, and close. First of all, to perform its geometrically nonlinear deformation, discrete different geometry theory is applied to model the mechanical response of a flexible net. Based on the discretization of the whole structure into multiple vertexes and lines, the internal force and associated Hession are derived in a closed form to solve a series of nonlinear dynamic equations of motion. The spread and deployment of a packaged net can be realized using this well-established net solver. Next, a multidimensional incremental potential formulation is selected to achieve the intersection-free boundary nonlinear contact and collision between the deformable net and rigid debris. Finally, for the closing mechanism analysis, a log-like barrier functional is derived to achieve the nondeviation condition between the ring-rod linkage system. The  continuous log barrier functionals constructed for both the contact model and the linkage system are smooth and differentiable, and, therefore, the nonlinear net capture dynamic system can be efficiently solved through a fully implicit time integrator. Overall, as a demonstration, the whole capture process of a defunct satellite using a hexagon net is simulated through our well-established numerical framework. We believe that our comprehensive numerical methods could provide new insight into the optimal design of active debris removal systems and promote further development of the online control of tether tugging systems.

Keywords:

Tether-net system, space debris capture, nonlinear dynamics, multiflexible body dynamics

DOI: 10.1002/msd2.12084

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/1‍0.1002/msd2.12084（点击链接直达原文）

Cite this article: Huang W, Zou H, Pan Y, et al. Numerical simulation and behavior prediction of a space net system throughout the capture process: Spread, contact, and close. Int J Mech Syst Dyn. 2023;3(3):265-273.

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作 者 简 介

黄炜成   东南大学副教授，以第一作者/通讯作者在Nature Communications, Journal of the Mechanics and Physics of Solids (JMPS), International Journal of Solids and Structures (IJSS), Journal of Applied Mathematics (JAM), Extreme Mechanics Letters (EML), Nonlinear Dynamics (ND), International Journal for Numerical Methods in Engineering (IJNME)等发表论文20余篇，主要从事柔性结构与多柔体系统非线性动力学相关问题研究。

邹怀武   航天八院研究员，主要从事空间操作系统动力学、控制与仿真方面的研究。

潘勇军   重庆大学副教授，主要从事多体系统动力学、实时仿真、车辆动力学与控制方面的研究。

张  凯    东南大学本科生，主要从事非线性动力学、固体和结构力学以及空间可展开结构方面的研究。

郑俊杰    东南大学本科生，主要从事非线性动力学、固体和结构力学以及空间可展开结构方面的研究。

李金朋    东南大学本科生，主要从事非线性动力学、固体和结构力学以及空间可展开结构方面的研究。

毛  帅    东南大学本科生，主要从事非线性动力学、固体和结构力学以及空间可展开结构方面的研究。