空间碎片主动清除,尤其是地球静止轨道(GEostationary Orbit,GEO)废弃卫星清理已成为航天界关注的热点问题。空间绳网系统以其在非合作目标捕获、远距离捕获等方面的突出优势,为空间碎片离轨操作提供了一种新的解决思路,也为未来在轨服务和空间攻防对抗提供了一种有效手段。论文针对空间绳网捕获与离轨问题,重点研究无旋和旋转两种空间柔性绳网的展开动力学特性、参数优化与控制策略,以及捕获后绳系复合体的刚柔耦合动力学与离轨控制。(1)空间无旋绳网展开动力学。针对地面环境和太空环境下的不同受力特性,推导了无旋绳网系统集中质量模型,并通过地面试验验证了仿真模型的可信度。无旋绳网展开的仿真中发现,展开面积先增大后减小,系统总机械能始终呈下降趋势,系统弹性势能的量级很小,各绳段单元一直在经历“张紧—松弛”的状态变化。轨道高度和捕获方向不会影响展开面积与飞行距离的变化,但是会产生不同的横向偏移,但由于绳网尺寸的冗余性设计,使得绳网捕获依然有效。(2)空间无旋绳网展开参数分析与优化设计。基于正交试验设计对空间无旋绳网进行了系统参数灵敏度分析,确定了各设计参数的主次顺序和显著程度,剔除了低灵敏度的参数,将设计参数精简为发射速率和发射张角,性能指标精简为最大展开时间和最大展开距离。分别利用QPRS(Quadratic Polynomial Response Surface)方法和Kriging方法建立了空间无旋绳网展开的代理模型,并通过精度评估选择了Kriging代理模型。基于Kriging代理模型,采用NSGA-II(Non-dominated Sorting Genetic Algorithm II)算法对绳网展开性能的多目标优化问题进行了求解,获得了多个Pareto最优解。(3)空间旋转绳网展开动力学与控制。旋转绳网系统的展开过程分为网臂展开和绳网展开两个阶段,根据两个阶段各自不同的特点分别建立了系统动力学模型,并基于无控旋转展开过程中的动能和动量矩守恒原理,验证了动力学模型的正确性。仿真对比了多种力矩控制策略,并根据避免绳网反向缠绕和能量消耗较少等原则,确定了采用MK(Melnikov-Koshelev)控制律。MK控制下的旋转绳网展开过程的仿真中发现,在离心力和阻尼效应的作用下,旋转绳网最终能形成稳定构型;而且稳定后的旋转绳网系统对面内扰动有较强的抗干扰能力。为了消除旋转绳网系统长时间在轨飞行所产生的捕获偏差,可以在绳网发射时适当调整发射方向,以抵消轨道动力学的影响。(4)绳系复合体离轨动力学分析。针对绳网捕获后的绳系复合体,将拖船与目标视为刚体,绳网等效为多条柔性吊带,建立了多点吊挂双刚体模型,并推导了包含系统质心轨道运动、两体相对运动、航天器姿态运动以及拖船质量变化的系统动力学方程。在系绳和吊带的张力计算中考虑了质点法和平衡点法,考虑到计算效率最终选用了平衡点法。在不考虑主动控制,只施加周向常值推力的前提下,研究了绳系复合体在各种初始状态下的系统稳定性,仿真表明初始状态偏离参考状态时,系统存在较大的扰动。对系统初始时刻处于参考状态的情形,分析了不同推力大小对燃料消耗和离轨时间的影响规律,仿真表明存在推力大小的最佳值。(5)绳系复合体离轨控制。将绳系复合体离轨控制设计为消旋、转向和拖曳三个阶段,并基于PD反馈和LQR(Linear Quadratic Regulator)等控制方法,针对各个阶段依次开展了控制律设计与仿真的研究。其中,目标消旋控制的关键在于保证系绳张力的方向位于目标旋转面,通过对系绳张力的主动控制来衰减目标的旋转;绳系复合体的转向控制采用先规划期望转向轨迹,然后跟踪控制的方法;绳系复合体的拖曳控制中,不仅要实现将系统安全转移至坟墓轨道的目标,而且在拖曳过程中要保持系统稳定。通过仿真验证了各个阶段的控制律的有效性,实现了将绳系复合体安全转移至坟墓轨道的任务。总之,论文对空间绳网捕获与离轨任务中涉及到的无旋绳网系统、旋转绳网系统和绳系复合体这三个研究对象开展了动力学与控制等方面的研究,建立了空间绳网捕获与离轨任务分析框架,为下一步深入理论研究、地面试验及在轨试验提供了重要的方法、模型和分析结果。