消除空间碎片的影响，避免“凯斯勒综合症”现象的发生，从而稳定地球的轨道环境，这是一项迫在眉睫的空间任务，对涉及卫星服务的导航、通信、气象监测等方面有重要意义。研究者已经提出多种刚性连接捕获、柔性连接捕获以及碎片移除方法，然而仍然存在技术、政治、法律等问题，因此更多可能的空间碎片捕获、移除的方法值得被提出且深入研究。

在本论文中，我们通过理论分析、数值模拟和实验的方法，研究将系绳弹丸系统、套索、绳环等绳系系统和软轨道应用于在轨服务和碎片捕获、移除的机理。主要研究结果如下：

（1）构建了卫星通过系绳弹丸系统来捕获目标对象的简化场景。推导了绳长、角速度、弹丸运动轨迹等运动学方程。通过模拟得到的弹丸轨迹与理论结果很好地吻合。通过受力分析，得到了不同摩擦系数下卫星、目标对象受力的情况。考虑安全圈数，以及受力和时间两个限制条件，提出了关于缠绕圈数、弹丸速度和初始绳长的初捕获方案。

（2）通过模拟研究卫星和目标对象不固定时的缠绕情形，并和卫星、目标都固定的基准情况对比。提供了不同质量比下各种缠绕过程的物理图像。模拟结果还表明降低绳子弯曲刚度有利于增加缠绕角度，增加绳子密度有利于抑制绳子的弹跳。理论分析得到了临界质量比的表达式，与模拟中得到的可以实现缠绕的、大质量比的结果较好的吻合。验证了基准模型中“大质量假设”合理性。

（3）试图将地面上使用的套索、转动绳环应用于空间的碎片捕获，并给出机理分析。根据地面上用套索捕牛的场景，设计了在太空用套索捕获目标对象的步骤，并提出了抛绳和收绳阶段的具体方案。得到了捕获成功对发射角度、临界收绳速度的限制条件。分析了转动绳环在真空、微重力下的状态，提出了绳环整体运动的平动加速度、转动角速度和转动夹角的限制范围。不同真空度下的实验结果表明，存在使绳环发生剧烈抖动的临界压强，且对应的临界空气阻力随着转动速度线性递增。

（4）设计并制作了一套基于开口薄壁杆件的空间输运系统。在地面上开展模拟微重力环境的实验，成功完成了轨道延展、输运装置向外运动、输运装置返回母体、轨道收纳四个过程，以及输运装置和母体的拍摄任务。分析得到软轨道稳定的临界长度。该空间输运系统在与空间碎片的会合阶段、对空间碎片的预处理方面有较好的应用前景。