空间碎片环境中的航天器生存力评估

摘要

空间碎片对航天器的在轨运行造成了严重的威胁，越来越多的国家开始在航天任务开展阶段就将空间碎片的影响纳为重点研究问题。目前，防护布局设计与防护结构设计是提高航天器抵御空间碎片特别是不可观测记录的小碎片撞击威胁能力的主要手段，而撞击风险评估特别是空间碎片环境下航天器生存力评估是实现防护设计的重要依据。风险评估技术基于防护结构临界穿孔失效进行分析，然而，对于内部存在大量有效载荷的航天器来说，空间碎片对内部关键部件的撞击风险特别是可能造成的损伤将直接影响部件/系统的功能。因此，展开空间碎片环境下航天器生存力的研究工作对提高航天器的可靠性和安全性有重要的意义。
　　基于风险评估技术，本文借鉴飞机作战生存力技术并结合空间碎片时空分布的统计特性以及航天器系统自身抵抗空间碎片撞击的特性，分析了航天器生存力的组成部分及其影响要素。对影响要素从空间碎片的时空分布规律及航天器自身特性两方面进行解析，将影响要素作为生存力评估的基础对其模型化并给出了表征形式。提出生存力的总体评估方案并给出评估流程。从敏感性和易损性两方面系统的展开了研究。首先基于遮挡算法，从有限单元的角度，给出了航天器撞击敏感性计算方法和评估流程。其次展开了易损性分析方法，提出理想情况下易损性总体研究方案和分析流程。从部/组件的功能失效和功能降阶两方面展开易损性分析。对功能失效分类，并对其研究方案进行了详细的阐述。对功能降阶进行等级划分，对不同等级降阶的评估手段进行概述并给出了研究思路。同时，基于现有的研究技术和目的，提出采用等效单层铝板表征航天器部件易损性的评价方法，实现对航天器内外部各种部组件的失效、功能降阶等易损性程度的量化表征。将部件与系统建立逻辑关系，通过建立损伤树模型对不同等级、不同失效模式的系统生存力进行概率计算。
　　以生存力算法为基础，本文设计开发了航天器生存力评估软件“S3DE-Survivability of Spacecraft in Space Debris Environment”，实现面向工程实用型软件转化，规范了软件结构，提高其可扩展性。该软件由空间碎片数据模块、航天器几何模块、航天器姿态模块、航天器部/组件结构模型模块、部件易损性模块、航天器功能模型模块、可视化输出模块等7大模块组成。系统的阐明了软件各模块的功能特性以及数据传递衔接的关键技术。该软件有效的嵌入了空间碎片环境模型，实现了各接口连接并将生存力算法应用在航天工程中。
　　本文分别针对防护手册中的三种标准工况、典型部件（电池组、电子箱）、以及“墨子号”模拟卫星进行了算法的验证。将三种标准工况与 BUMPER及MDPANTO进行对比，分别计算工况的敏感性和易损性。其中撞击数最小误差为0.14%，最大误差为2.26%。而失效数最大误差为12.09%，最小误差为0.49%。
　　误差均在合理范围内说明了敏感性计算方法正确性和以及软件系统具有对航天器部件/系统失效判别的功能性。另外，本文设计了电池组及电子箱两种典型部件，计算了它们在不同损伤模式下的失效概率及生存力。最后，以“墨子号”卫星结构为参考，设计了其简化模型，包括星上37个部件以及其中16个主要部件的32种损伤模式。在假设的等效厚度的基础上，分析了7大分系统和总系统的生存力概率。结果表明通过用不同的等效厚度来表征部件不同的损伤模式可以初步计算部件的失效概率和系统的生存力；而同一个最小割集中，损伤模式数量越多，系统的生存概率越高。因此，在航天器系统设计初期要充分考虑到部件的各种损伤模式及其等效铝板厚度，通过对部件/系统/整器的生存力分析可以为提高航天器安全性和可靠性的设计提供依据。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题的研究背景及意义

1.2 国内外研究进展

1.3 本文主要研究内容

第2章 生存力影响要素分析及其模型化

2.1 航天器生存力影响要素概述

2.2 空间碎片环境工程模型

2.3 航天器运动模型

2.4 航天器部/组件结构及其易损性

2.5 航天器系统级功能模型

2.6 本章小结

第3章 空间碎片敏感性及航天器生存力分析

3.1 航天器空间碎片撞击生存力的参数化表征

3.2 敏感性分析方法

3.3 易损性分析

3.4 航天器生存力评估方法

3.5 本章小结

第4章 航天器生存力分析软件框架设计

4.1 软件设计平台及前后处理

4.2 软件总体框架

4.3 界面开发概述

4.4 S3DE软件模块功能介绍

4.5 本章小结

第5章 航天器生存力评估算法验证及应用

5.1《Protection Manual》标准工况验证

5.2 典型部件生存力分析案例

5.4 航天器系统级生存力分析案例

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果

声明

致谢