基于碎片云特性的航天器空间碎片撞击易损性分析

摘要

人类不断展开太空探索活动的同时，空间垃圾与空间碎片问题日益凸显。这些以超高速在轨道上运动的碎片对正常在轨运行的航天器产生了严重威胁，为了保证航天器的安全运行，通常采取加固航天器的防护层以提高抗御能力。同时还要进行精准的空间碎片撞击风险评估工作。
　　本文在M/OD环境下航天器风险评估的基础上，提出了基于碎片云特性的航天器空间碎片撞击易损性分析方法，讨论了航天器系统、分系统及内部部件的失效模式和失效准则。
　　首先将ORDEM2000作为空间碎片环境模型，并通过插值法获取了空间碎片的通量，MSC/PATRAN有限元分析应用软件作为建模工具对航天器进行几何描述，导入至航天器易损性分析的输入接口。
　　基于计算机图形学的消隐算法，提出了遮挡效应处理方法，解决了航天器外遮挡和航天器部件间遮挡问题。建立了航天器故障树，得到了航天器失效概率的计算方法。
　　基于前人的研究成果，建立了超高速撞击碎片云模型分析部件遭受超高速撞击的功能损伤模式，结合空间碎片环境数据计算部件失效概率。
　　最后，针对IADC提出的三种标准检验工况对本文提出的方法进行校验，与其他同类型软件相比，受空间碎片撞击数误差在0.14％-5.31%之间，失效数误差在0.81%-9.00%之间，验证了本文方法的有效性。基于碎片云模型对典型航天器部件进行了易损性分析，讨论了不同位置及分布对部件受空间碎片的撞击概率和失效概率的影响。并将航天器易损性计算方法应用于立方星，得到了立方星在轨一年内发生灾难性撞击的概率及失效概率。

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第1章 绪 论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 国内外在该方向的研究进展及分析

1.3 主要研究内容

第2章 空间碎片通量计算及航天器模型

2.1 空间碎片通量计算

2.2 航天器模型

2.3 本章小结

第3章 航天器易损性碰撞及失效计算方法

3.1 航天器防护结构碰撞及失效概率算法分析

3.2 航天器故障树建立及分析

3.3 航天器遮挡效应

3.4 本章小结

第4章 基于碎片云特性的航天器部件撞击损伤计算方法

4.1 碎片云分布特性

4.2 碎片云建模

4.3 碎片云撞击航天器部件损伤计算方法

4.4 本章小结

第5章 航天器易损性分析算法验证及应用

5.1 易损性分析代码简介

5.2 航天器易损性算法标准工况检验

5.3 碎片云撞击航天器部件易损性分析实例

5.4 航天器易损性分析算法在立方星上的应用

5.5 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢