一种基于耗能塑料系绳的空间碎片清除展开网形保持方法

《Acta Astronautica》：A deployed net shape maintenance method for space debris removal using energy-dissipating plastic tethers

　　

• 提出了一种带有塑料系绳的新型空间网以维持网形。• 简化的求解流程将计算成本降低了60%以上。• 优化结果使有效捕获持续时间提高了4.5倍。• 有效捕获持续时间对塑料系绳的屈服强度和伸长比高度敏感。

**引言**

根据机构间空间碎片协调委员会的定义，空间碎片是指"在地球轨道上或再入大气层中所有非功能性的人造物体，包括碎片及其组成部分"[1]。欧洲航天局的数据表明，截至2025年10月，目前处于空间轨道上的大于10厘米的空间碎片超过54,000块[2]。这一数据比美国空间监视网络于2022年报告的22,000块增加了145%[3]。在确保空间环境长期安全性和可持续性的需求驱动下，主动碎片清除技术已成为在轨航天器服务领域的核心研究方向。

在各种主动碎片清除技术中，系绳网捕获方法不需要高制导精度，同时兼容广泛的目标尺寸和形状。这使其成为未来空间碎片清除任务中最有前景的方法之一[4]。使用网捕获空间碎片对象总共分为三个阶段，分别为部署阶段、捕获阶段和捕获后阶段[5]。关于系绳网建模精度[6]、[7]、[8]、[9]、[10]，部署动力学[11]、[12]、[13]、[14]，碰撞与捕获分析[15]、[16]、[17]、[18]，以及捕获后技术如去旋控制[19]、[20]、[21]和离轨控制[22]、[23]已开展了大量研究。此外，抛物线飞行实验[13]、大量地面实验[24]、[25]以及空间实验[26]已验证了系绳网方法捕获和清除碎片的可行性。

然而，在部署过程中，网的回缩显著限制了有效捕获持续时间，给系绳网捕获任务的成功实施带来了重大挑战。延长系绳网有效捕获持续时间的方法已从动力学特性分析到新型系绳网设计等方面进行了探索。Shan等人定义了有效捕获持续时间的概念，并研究了发射参数对该持续时间的影晌，包括弹丸速度、发射角度和弹丸质量[8]。Botta等人推导了发射参数与网质心和弹丸速度限制之间的解析关系，并通过仿真确认了有效捕获持续时间对这些参数的非线性依赖关系[11]。然而，受网的弹性回弹限制，仅调整发射参数对捕获持续时间的改善作用有限。这促使研究重点转向整合附加控制装置。Huang等人提出了一种可操纵的系绳网空间机器人，通过主动控制末端执行器操纵单元来维持有效捕获形状[27]、[28]、[29]。同时，他们提出了一种基于自适应律的鲁棒分布式协调控制方案，以解决该系统的网形维持问题[30]。Zhu等人引入了一种使用切向脉冲启动收缩-展开旋转部署策略的快速部署和形状稳定网方法，以维持网的有效捕获面积[31]。此外，他们设计了一种自适应防饱和滑模控制器，以在高速碎片冲击期间维持网形[32]。尽管整合操纵装置不可避免地增加了系统复杂性和能量消耗，但已提出了几种简单而有效的基于被动控制的新型网设计。Chen等人提出了一种在网边界施加"能量耗散带"的恒力控制方法以抑制回弹，使有效工作距离增加了3.27倍，但由于能量耗散导致最大捕获面积显著减小[33]。Si等人通过优化系绳长度，证明了在保持网最大展开面积的同时，有效捕获持续时间提高了36%[34]。Kojima和Trivailo为网引入了双联弹丸构型，通过局部化内外弹丸之间的动量交换来抑制网回缩[35]。Wang等人提出用橡胶系绳替代凯夫拉角系绳，并在小型系绳网上通过实验验证了这一概念，使覆盖保持时间提高了28%[36]。现有的网形维持方法主要关注角系绳和角弹丸，很少关注部署过程中内部系绳或网内张力传递特性。此外，这些方法对弹丸的动能耗散有限，限制了其增加有效捕获持续时间的能力。

因此，受前人研究的启发，本文提出了一种新型系绳网设计，其中吸能塑料系绳与弹性网的内部系绳相连。这些塑料系绳通过不可逆塑性变形吸收动能，从而显著降低部署过程中的回缩速度。这种新型构型在维持系绳网捕获形状方面非常有效，尤其适用于大规模系绳网。同时，优化塑料系绳的布置对于最大化有效捕获持续时间至关重要。然而，由于计算耗时长的模拟以及结合连续变量和离散变量的混合变量设计空间，这一优化面临挑战，这常常导致传统优化方法收敛到局部最优解或完全无法收敛。因此，本文还介绍了一种简化的网部署过程求解流程以减少模拟时间，并应用定制演化昂贵优化方法优化塑料系绳的布置和宽度。

本文结构如下：第2节介绍塑料系绳的本构建模。第3节开发带有塑料系绳的空间网的动力学模型和简化求解流程。第4节详细说明优化变量、目标函数以及用于塑料系绳布置的CEEO混合变量优化方法。第5节展示仿真结果和分析以验证该简化求解流程和形维持设计的有效性。最后，第6节给出结论并讨论潜在的未来工作。

**塑料系绳的本构建模**

本文采用理想弹塑性本构模型建立塑料系绳模型，如图1(a)所示。在弹性变形阶段，塑料系绳的拉力与伸长量保持线性关系。当伸长量达到屈服伸长量后，拉力在屈服力处趋于平台。塑料系绳的伸长量和屈服伸长量计算如下：Δl = l ? l_p0，Δl_y = ε_y × l_p0，其中l_p0是……

**网拓扑结构描述**

本研究使用由方形网格组成的方形网，四个角通过牵引系绳连接四个弹丸。如图4所示，所有网节点按锯齿形模式顺序编号，四个弹丸依次在最后编号。采用邻接表描述节点间的连接关系。节点i的邻接表是向量，网内部节点的邻接表表示为：conn{i} = [i?n, i?1, i+1, i+n]，其中n……

**基于CEEO的有效捕获持续时间优化**

已证明不同宽度的塑料系绳具有不同的能量耗散能力，其放置位置显著影响网内的能量传递。此外，塑料系绳的布置和宽度对有效捕获持续时间具有强耦合效应。因此，同时优化系绳布置和宽度是必要的。

**仿真结果**

本节通过将带有和没有塑料系绳的网的模拟能量和展开面积与完整数值解进行比较，验证了基于对称性的SSP方法。随后，使用SSP和CEEO算法实现了塑料系绳的最优布置。最后，分析了优化后网的动力学特性，解释了塑料系绳延长有效捕获持续时间的机制。

**结论**

本文提出了一种带有塑料系绳的新型网设计以维持展开网形。为描述塑料系绳的迟滞行为和能量耗散，建立了非线性弹簧-阻尼离散模型用于动力学仿真。此外，为降低计算成本，基于网的对称特性提出了一种简化求解流程方法。同时，为提高有效捕获持续时间，优化了塑料系绳的……

**CRediT作者贡献声明**

罗家华：撰写——初稿，可视化，验证，方法学，形式化分析，数据整理。程亚杰：撰写——审阅与编辑。单明合：撰写——审阅与编辑，监督，资金获取，概念构思。

**关于写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明**

在准备本工作期间，作者使用了ChatAI以提高可读性和语言质量。使用该工具后，作者对内容进行了审阅和编辑，并对出版物的内容承担全部责任。

**利益冲突声明**

作者声明他们没有已知的竞争经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

**致谢**

本工作得到了国家自然科学基金的资助，资助编号12572043、12494561。

罗家华 | 程亚杰 | 单明合