根据Kessler效应,太空间中的碎片数量会缓慢而不可避免的增加,主动清除空间碎片技术是解决空间碎片威胁的根本办法。为此,本文提出了一种新式的利用飞锚内部抓取并拖拽的清除大型空间碎片的方法,完成了飞锚整体系统方案设计,针对大型空间碎片的飞锚侵彻和锚固两个关键问题进行理论和实验研究,并根据提出的理论模型对飞锚本体结构及关键参数进行了详细设计。首先,对飞锚系统整体结构、电气系统和碎片回收流程进行了总体方案设计。飞锚系统整体结构包括飞锚本体、发射结构、卷线结构、碎片回收结构和飞锚定位回收结构。使用ADAMS软件对关键结构进行动力学分析,验证了其功能满足设计要求。之后,通过理论建模和仿真的方法研究侵彻理论。根据垂直侵彻和斜侵彻后靶板实际破坏结构建立了靶板破坏的理论结构模型,包含垂直侵彻和斜侵彻情况。将靶板变形主要消耗能量归结为由筒壁状塑性变形能、花瓣弯曲能和花瓣撕裂能,通过能量守恒原理计算剩余速度,利用ANSYS仿真对侵彻理论模型进行了验证和改进,同时在垂直/斜侵彻理论模型中引入锚体半锥角对断裂应力的影响和在斜侵彻中引入了锚体运动方向角度改变量和入射角度之间的关系。将侵彻理论模型拓展到多层靶板侵彻和微重力环境下的侵彻,通过仿真验证。以锚体参数和靶板参数为输入,以侵彻消耗能量为输出,使用神经网络对数据进行训练,证明神经网络可以较准确预测侵彻消耗能量。通过理论建模的方法研究锚固理论,在侵彻破坏结构的基础上,根据靶板锚固破坏的实际结构,以及观察锚固破坏过程,建立锚固破坏的理论结构模型,假设靶板锚固破坏能量消耗由靶板整体弯曲变形能和靶板撕裂能组成,通过能量守恒原理计算靶板所能承受的最大锚固力。根据使用环境要求,设计了一种无内置动力源、结构简单且可重复变形的飞锚本体结构,对其进行了动力学分析和实物验证,结构合理;并通过侵彻和锚固理论,对飞锚本体关键结构参数进行设计,包含锚体半锥角、锚体直径、锚固结构倒刺数量、倒刺截面面积和倒刺展开长度等参数。最后通过地面实验验证侵彻和锚固理论模型,进行了垂直、斜、多层靶板和多种靶板材料的侵彻实验和多种靶板材料的锚固实验,理论计算结果和实验结果误差小于15%,证明了理论模型的正确性。