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南京理工大学杜忠华、岳帅团队:空间绳网无根发射的动力学特性与参数影响研究 | 空间环境治理技术专刊

2026-07-10 10:23:24

空间碎片数量的快速增长已对在轨航天器和未来航天发射活动构成严重威胁。截至2025年5月，空间环境中可编目物体数量已超过31000个，加上无法持续跟踪的物体，总数接近40000个。在各类主动清除技术中，空间绳网凭借其显著的收纳比、轻量化系统质量以及较大的捕获范围，受到越来越多的关注。然而，现有空间绳网发射研究主要聚焦于牵引体质量和速度等宏观参数对绳网展开的影响，鲜有研究关注牵引体旋转离心展开的性能，尚未深入揭示发射过程系统内部的能量分配规律，更缺乏对能量转化路径的系统研究。

针对上述问题，本文提出了一种新型二级发射载荷——先通过卫星平台发射载荷整体，实现平台与任务载荷的早期分离，有效保障平台的安全性；再通过二级弹载式延时点火设计，利用载荷自身二次加速延长绳网的有效捕获距离。研究旨在揭示质量比与螺旋升角两种关键参数对能量转化路径的调控规律，阐明系统内平动、转动和摩擦耗能的定量分配机理。

引用格式

王子豪, 岳帅, 赵真, 等. 空间绳网无根发射的动力学特性与参数影响研究[J]. 宇航学报, 2026, 47(5): 1343-1353.

WANG Zihao, YUE Shuai, ZHAO Zhen, et al. Study on the dynamic characteristics and parameter influence of rootless launching of space rope network[J]. Journal of Astronautics, 2026, 47(5): 1343-1353.

研究方法

本文以火炮弹道模型为加载条件，建立变载荷下的发射动力学模型。首先，基于经典内弹道理论建立内弹道模型，求解得出膛压、发射速度和行程随时间的变化曲线，作为有限元仿真的输入条件。采用ABAQUS对发射装置进行建模仿真，并通过地面发射试验验证了模型的准确性——后坐力峰值误差为5.09%，平均后坐力误差为1.59%，速度误差为7.15%。

图1 有限元建模

图2 内弹道曲线

在模型验证基础上，系统开展了多参数仿真分析。通过调整牵引体与二级平台的质量比（1:5、1:7、1:9、1:11）和螺旋升角（70°、75°、80°、85°），系统研究了两种关键参数对速度特性、角速度特性及能量分配规律的影响机制。同时，采用拉格朗日方法建立了系统的动力学模型，推导出有效质量函数和运动方程，从理论层面揭示了质量比与螺旋升角对能量分配的耦合机制。

主要结论

揭示了质量比对无根发射下能量分配的非线性调控规律。研究发现质量比越小，牵引体初速与平动动能占比越高，二级平台动能逐步下降；参数变化幅度整体呈现先增后减特征，当质量比为1∶7时，系统能量利用效率达到峰值。

揭示了螺旋升角对无根发射下能量转换路径的调控机制。螺旋升角主要影响牵引体平动动能、系统转动动能与摩擦耗能的相互转化，升角超过80°后能量再分配效应显著，可整体优化装置能效。

建立了能量分配的敏感性量化模型。依托内弹道模型完成仿真参数设置，结合地面试验完成多维度校验，各项力学、速度指标误差均在合理区间，模型精度可靠，可为装置性能分析与参数优化提供支撑。

图3 不同质量比下的能量分配

图4 不同升角下的能量分配

前景与应用

该方法可应用于空间碎片主动清除任务中的绳网捕获系统，为不同任务需求下牵引体速度、角速度与能量利用率的匹配提供设计依据。研究成果对空间柔性捕获系统的发射性能优化具有工程参考价值，也可拓展应用于其他需要旋转展开的柔性结构发射场景。

团队介绍

本研究团队由南京理工大学弹药工程系主任杜忠华研究员领衔，团队深耕兵器科学、航空宇航交叉领域，科研实力雄厚、研究积淀深厚。杜忠华研究员深耕弹药系统、空间载荷研究多年，主持国家自然科学基金、国防863、973等多项重点课题。核心骨干机械工程学院岳帅教授为江苏省优秀博士学位论文获得者，主持及参与国家重大专项、173计划、国家自然科学基金等十余项国家级、省部级科研项目。团队先后攻克空间绳网动力学、发射冲击控制、飞行器离轨与缓冲控制等一系列关键技术，拥有国防及发明专利20余项。