空间碎片碰撞威胁和废弃地球静止轨道(GEO)卫星占据稀缺轨位是当前人类航天发展面临的重大紧迫问题,急需发展针对空间碎片和废弃GEO卫星的轨道主动清除技术。由柔性绳索编织的空间飞网结构简单,成本低,提供远距离和可容错抓捕,降低了抓捕任务中的碰撞风险,尤其适合空间非合作目标抓捕,代表了轨道主动移除技术最新发展。空间飞网结构构型和展开及碰撞动力学是影响抓捕任务的关键因素。受自然界蜘蛛网特殊结构启发,本文开展了空间飞网结构仿生设计和抓捕动力学研究,试图揭示空间仿生飞网展开和碰撞过程的内在机理与影响因素,并开展了相应地面试验验证。(1)空间飞网仿生设计研究。对蜘蛛网优良的抓捕、抗冲击力学性能进行分析,结合蜘蛛网的蛛丝、结构特点和空间飞网的任务特点,从结构仿生的角度对空间飞网结构进行设计,通过设置不同轴向刚度径线和周线形成非均匀飞网,并考虑其工程应用要素,提出了空心径线粗绳对实心周线细绳进行收纳和转轴封贮的创新技术方案,设计了工程化织网方法。(2)仿生飞网展开机理分析。对绳段模型进行适用性分析,对仿生飞网的展开过程进行仿真,分析了其展开过程中的网形变化、质量块状态变化、能量变化和绳段张力变化,研究了仿生飞网展开过程中的牵引关系和内在机理,结果表明:仿生飞网通过质量块牵引径线、再有径线牵引周线依次循序展开,载荷的传递路径较为明确。(3)仿生飞网碰撞模型及碰撞机理分析。建立了刚体碰撞模型,重点应用Hertz碰撞方法和附加约束方法建立了飞网与刚体间的刚柔耦合碰撞模型,并分别基于两种模型对仿生飞网与目标体间的碰撞过程进行了仿真和对比分析,进行了碰撞模型的相互验证,研究了碰撞过程中的网形变化、质量块收拢变化、能量变化、碰撞力变化和绳段张力变化,对仿生飞网的碰撞过程进行了机理分析,结果表明:飞网在碰撞作用下产生较好的包裹及质量块聚拢效果,并在碰撞时刻经历了剧烈的碰撞响应,且径线在碰撞过程中承担了主要的荷载。(4)仿生飞网抓捕因素分析。对仿生飞网展开和碰撞的抓捕过程进行了仿真,从飞网结构、发射参数和碰撞位置三个方面对仿生飞网抓捕过程进行因素分析,研究了网眼密度、质量块与飞网质量比、径线与周线权重比、发射角度、发射速度、抓捕距离和偏心距离对仿生飞网抓捕过程中网形、能量和力学性能的影响,并对其抓捕的有效性进行了分析。(5)地面碰撞试验研究。设计并开展了空间飞网地面碰撞试验,建立了地面碰撞试验的动力学模型,对试验数据和仿真结果进行了对比分析,验证了碰撞动力学模型的可行性和有效性,基于碰撞模型研究了空间飞网碰撞力学特性,并对空间飞网的碰撞过程开展了天地差异性分析。本文参照蜘蛛网特殊结构提出了空间仿生飞网概念,为此开展了系统的机理分析,建立仿真和相关地面验证试验,研究成果不仅为空间飞网结构设计提供了新思路,也为空间飞网抓捕任务设计与工程实现提供了相关理论分析和建模仿真支持。