【摘要】：繩系衛(wèi)星系統(tǒng)是指由繩系連接兩顆或多顆衛(wèi)星而組成的航天器系統(tǒng),繩系衛(wèi)星在空間環(huán)境探測、空間碎片清除等領域有著廣闊的應用前景。考慮到復雜的空間攝動環(huán)境及其自身的姿軌耦合運動特性,繩系衛(wèi)星系統(tǒng)的動力學及控制問題具有一定的難度,其中繩系衛(wèi)星的釋放及回收策略一直是該領域內的研究重點。在繩系衛(wèi)星釋放及回收過程中,繩系長度的變化會導致系統(tǒng)姿態(tài)出現(xiàn)大幅的軌道面內外振蕩,因此,結合繩系衛(wèi)星系統(tǒng)的動力學及運動學特性,合理的規(guī)劃系統(tǒng)展開釋放過程并保證系統(tǒng)的穩(wěn)定,是繩系衛(wèi)星在軌運行的關鍵。本文針對繩系衛(wèi)星系統(tǒng)的釋放展開任務需求,調研了國內外已有繩系衛(wèi)星系統(tǒng)項目,總結了繩系衛(wèi)星系統(tǒng)的動力學分析與控制策略設計方法,在已有成果的基礎上,進一步開展了繩系衛(wèi)星系統(tǒng)動力學建模、分析及釋放規(guī)劃問題研究。論文的主要研究內容包括:首先,采用Lagrange方程建立了二體及多體繩系衛(wèi)星系統(tǒng)的動力學模型;在二體系統(tǒng)的建模過程中,通過將繩系視為質量均勻分布的線彈性體得到了較為通用的系統(tǒng)模型;然后將二體系統(tǒng)拓展為多體系統(tǒng),并在模型中對比了考慮主星姿態(tài)和不考慮主星姿態(tài)的狀況,分析了輻射式及串珠式多體系統(tǒng)的動力學特性。在二體動力學模型的基礎上,引入繩系形變系數(shù)得到接近真實繩系的數(shù)學模型和精確計算張力的方法,結合繩系張力力矩和重力梯度力矩研究了系統(tǒng)勻速、勻加速、冪指數(shù)展開時繩系和主星姿態(tài)的運動。通過數(shù)值仿真分析了不同展開策略下繩系和主星姿態(tài)收斂速度及穩(wěn)定性,并給出冪指數(shù)展開穩(wěn)定的約束條件。隨后,結合二體繩系系統(tǒng)建模及分析結果,研究了繩系姿態(tài)變化條件下的電繩系離軌過程的軌道參數(shù)變化。根據(jù)洛倫茲力作用下的姿態(tài)動力學模型和高階國際地磁場模型分析繩系運動過程中洛倫茲力和洛倫茲力矩的計算方法;結合高斯攝動方程,建立了電動繩系離軌數(shù)值仿真模型,在分別考慮無擺角、僅有面內擺角、有面內外擺角的條件下,對電動繩系離軌過程進行仿真對比。最后,將二體系統(tǒng)的釋放規(guī)劃問題拓展到多體系統(tǒng),研究了輻射開環(huán)繩系衛(wèi)星系統(tǒng)的展開動力學特性及展開完成后的振動抑制。針對不考慮主星姿態(tài)的輻射系統(tǒng)設計了勻速、變加速展開策略,分析了展開效率與末端振動的關系,并通過數(shù)學仿真進行了驗證。對于考慮主星姿態(tài)及幾何尺寸建模的輻射系統(tǒng),設計了重力梯度補償及無補償時的展開控制策略,針對展開完成后繩系的振蕩,提出分階段展開的開環(huán)、閉環(huán)振動抑制控制方法,使系統(tǒng)展開完成后穩(wěn)定運行。通過搭建仿真模型驗證提出展開控制策略的有效性。
[Abstract]:Tethered satellite system is a spacecraft system composed of two or more satellites connected by tethered satellites. Tethered satellites have broad application prospects in space environment detection and space debris removal. Considering the complicated space perturbed environment and its attitude-orbit coupling motion characteristics, the dynamics and control of tethered satellite system are difficult to some extent. The release and recovery strategy of tethered satellite has always been the focus of research in this field. In the process of release and recovery of rope satellite, the change of rope length will lead to large-scale oscillation in and out of orbit of the system. Therefore, combined with the dynamics and kinematics characteristics of tethered satellite system, Rational planning of the release process and stability of the system is the key to the on-orbit operation of tethered satellites. In this paper, according to the requirements of the release mission of tethered satellite system, the existing projects of tethered satellite system at home and abroad are investigated, and the methods of dynamic analysis and control strategy design of tethered satellite system are summarized. The dynamics modeling, analysis and release planning of tethered satellite system are further studied. The main contents of this thesis are as follows: firstly, the dynamic models of two-body and multi-body tethered satellite systems are established by using Lagrange equation; In the process of modeling the two-body system, a general system model is obtained by taking the rope system as a linear elastomer with uniform mass distribution. Then the two-body system is extended to a multi-body system, and the dynamic characteristics of the radiative and beaded multibody systems are analyzed by comparing the two-body system with and without the master star attitude in the model. On the basis of the two-body dynamic model, the mathematical model close to the real rope and the method of accurately calculating the tension are obtained by introducing the deformation coefficient of the rope. The uniform velocity and uniform acceleration of the system are studied in combination with the tension moment and the gravity gradient moment of the rope system. The motion of the rope system and the attitude of the master star in exponential expansion. The convergence rate and stability of rope and star attitude under different expansion strategies are analyzed by numerical simulation, and the constraints of power exponential expansion stability are given. Then, combined with the modeling and analysis results of the two-body rope system, the orbit parameter variation of the electric rope deorbiting process under the condition of the rope attitude change is studied. According to the attitude dynamics model under Lorentz force and the high-order international geomagnetic field model, the calculation method of Lorentz force and Lorentz moment in the process of rope movement is analyzed. Combined with Gao Si's perturbation equation, a numerical simulation model for derailment of electric rope system is established. Under the conditions of no swing angle, only in-plane swing angle and inside-out swing angle, the simulation and comparison of the deorbit process of electric rope system are carried out. Finally, the release planning problem of the two-body system is extended to the multi-body system. The unfolding dynamic characteristics of the radiative open-loop tethered satellite system and the vibration suppression after the deployment are studied. A uniform and variable acceleration deployment strategy is designed for the radiation system without considering the attitude of the master star. The relationship between the deployment efficiency and the terminal vibration is analyzed and verified by mathematical simulation. For the radiation system considering the attitude and geometric dimension of the master star, the control strategy of gravity gradient compensation and non-compensation is designed. For the oscillation of the unfolded rope system, a phased open-loop expansion is proposed. The closed-loop vibration suppression control method makes the system run stably after completion. The effectiveness of the proposed deployment control strategy is verified by building a simulation model.
【學位授予單位】：北京理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：V448.2

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本文編號：2442070