【摘要】：系繩衛(wèi)星為當(dāng)今空間科學(xué)領(lǐng)域研究的一大主流方向。系繩衛(wèi)星系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模和系繩展開與回收控制問題為現(xiàn)階段系繩式衛(wèi)星研究中存在的兩大難題。本文針對(duì)于系繩式衛(wèi)星展開和面內(nèi)機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)移過程進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)建模與系繩穩(wěn)定控制方法研究,主要包含以下幾個(gè)方面:充分調(diào)研并分析總結(jié)現(xiàn)有解決方案中依舊存在的不足,充分了解當(dāng)前繩索建模理論的最新研究成果以及現(xiàn)代控制理論在該領(lǐng)域的應(yīng)用前景,明確系繩衛(wèi)星動(dòng)力學(xué)建模方法及其收放控制算法研究的重要性和必要性;基于絕對(duì)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)方法(ANCF)的梁?jiǎn)卧A(chǔ)理論,推導(dǎo)出考慮繩索單元邊界具有質(zhì)量流動(dòng)情況下的可變長(zhǎng)度柔索單元模型,結(jié)合衛(wèi)星剛體動(dòng)力學(xué)模型,推導(dǎo)出能夠準(zhǔn)確反映系繩的動(dòng)力學(xué)行為特性的含變長(zhǎng)度長(zhǎng)系繩的系繩衛(wèi)星動(dòng)力學(xué)模型;為研究系繩展開與回收過程的穩(wěn)定控制問題,給出系繩衛(wèi)星系統(tǒng)的“啞鈴模型”作為控制系統(tǒng)分析平臺(tái),并對(duì)其進(jìn)行無量綱化處理,得到系繩衛(wèi)星的歸一化模型;通過對(duì)系繩重力梯度下被動(dòng)展開和穩(wěn)定過程仿真分析,研究了系繩衛(wèi)星系繩展開與穩(wěn)定過程的動(dòng)力學(xué)行為特性。然后針對(duì)機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)移過程中母星推力、兩星相對(duì)速度、子星相對(duì)姿態(tài)、系繩初始狀態(tài)等因素進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真,定性的給出了各因素對(duì)系繩穩(wěn)定性的影響結(jié)果;對(duì)系繩以勻速、加速、變加速展開過程進(jìn)行仿真,分析三種基本展開方式下系繩穩(wěn)定狀態(tài);使用高斯偽譜法優(yōu)化設(shè)計(jì)滿足控制約束條件的系繩展開軌跡,并基于滑�？刂评碚搶�(shí)現(xiàn)對(duì)系繩最優(yōu)軌跡的跟蹤,得到能夠有效抑制系繩擺角的展開控制率;針對(duì)系繩衛(wèi)星面內(nèi)機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)移過程,首先根據(jù)時(shí)間-能量最省原則設(shè)計(jì)拖曳轉(zhuǎn)移軌道;然后考慮系繩衛(wèi)星控制系統(tǒng)僅有系繩張力單一控制量,基于分層滑�？刂扑枷朐O(shè)計(jì)包含欠驅(qū)動(dòng)狀態(tài)量的控制率,使得系繩通過收放改變自身長(zhǎng)度來控制狀態(tài)變量完全收斂;最后對(duì)系繩衛(wèi)星機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)移過程進(jìn)行仿真及驗(yàn)證。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：V448.2
【圖文】：

Tiesenhausen[6]、Carroll[7]等人對(duì)天梯系繩的探索與研究，系繩衛(wèi)星的概念逐成，提出并分析了一系列具有深入研究?jī)r(jià)值的空間應(yīng)用，同時(shí)隨著能夠滿足太空任務(wù)需求的具有高強(qiáng)度、密度小、耐熱性、抗疲勞穩(wěn)定性好等特點(diǎn)的復(fù)料繩索的出現(xiàn)，系繩衛(wèi)星的研究受到了世界各地航天領(lǐng)域?qū)W者的極大關(guān)注和的大力發(fā)展，提出了通過對(duì)系繩的釋放與回收來改變空間衛(wèi)星系統(tǒng)的距離尺在子星空間部署、系繩衛(wèi)星交會(huì)對(duì)接、太空探測(cè)、對(duì)地測(cè)量、衛(wèi)星轉(zhuǎn)移離軌空垃圾清除、人造重力等方面具有巨大的應(yīng)用前景[8, 9]。系繩衛(wèi)星系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)衛(wèi)星系統(tǒng)具備特殊的優(yōu)勢(shì)，根據(jù)實(shí)現(xiàn)原理可以分為兩類：動(dòng)量交換系繩和電動(dòng)力系繩[10]，如圖 1-1 和圖 1-2 所示。動(dòng)量交繩基于動(dòng)量交換原理進(jìn)行工作，針對(duì)于兩個(gè)航天器位于不同的軌道高度，具度差而使得系繩張緊，進(jìn)而在重力梯度場(chǎng)作用下達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，可應(yīng)用于創(chuàng)工重力場(chǎng)、航天器軌道機(jī)動(dòng)、載荷運(yùn)輸?shù)萚11]。相比于動(dòng)量交換系繩，電動(dòng)系大特點(diǎn)在于系繩可以導(dǎo)電，由于系繩中電流大小及方向可調(diào)節(jié)，因此電動(dòng)系備更強(qiáng)的可控性與可操作性，可應(yīng)用于構(gòu)成大型空間結(jié)構(gòu)、太空測(cè)量、電動(dòng)進(jìn)、碎片清除等任務(wù)[12]。

Tiesenhausen[6]、Carroll[7]等人對(duì)天梯系繩的探索與研究，系繩衛(wèi)星的概念逐成，提出并分析了一系列具有深入研究?jī)r(jià)值的空間應(yīng)用，同時(shí)隨著能夠滿足太空任務(wù)需求的具有高強(qiáng)度、密度小、耐熱性、抗疲勞穩(wěn)定性好等特點(diǎn)的復(fù)料繩索的出現(xiàn)，系繩衛(wèi)星的研究受到了世界各地航天領(lǐng)域?qū)W者的極大關(guān)注和的大力發(fā)展，提出了通過對(duì)系繩的釋放與回收來改變空間衛(wèi)星系統(tǒng)的距離尺在子星空間部署、系繩衛(wèi)星交會(huì)對(duì)接、太空探測(cè)、對(duì)地測(cè)量、衛(wèi)星轉(zhuǎn)移離軌空垃圾清除、人造重力等方面具有巨大的應(yīng)用前景[8, 9]。系繩衛(wèi)星系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)衛(wèi)星系統(tǒng)具備特殊的優(yōu)勢(shì)，根據(jù)實(shí)現(xiàn)原理可以分為兩類：動(dòng)量交換系繩和電動(dòng)力系繩[10]，如圖 1-1 和圖 1-2 所示。動(dòng)量交繩基于動(dòng)量交換原理進(jìn)行工作，針對(duì)于兩個(gè)航天器位于不同的軌道高度，具度差而使得系繩張緊，進(jìn)而在重力梯度場(chǎng)作用下達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，可應(yīng)用于創(chuàng)工重力場(chǎng)、航天器軌道機(jī)動(dòng)、載荷運(yùn)輸?shù)萚11]。相比于動(dòng)量交換系繩，電動(dòng)系大特點(diǎn)在于系繩可以導(dǎo)電，由于系繩中電流大小及方向可調(diào)節(jié)，因此電動(dòng)系備更強(qiáng)的可控性與可操作性，可應(yīng)用于構(gòu)成大型空間結(jié)構(gòu)、太空測(cè)量、電動(dòng)進(jìn)、碎片清除等任務(wù)[12]。

ATEx LEO 1998 6.05km 22m 美PICOSAT1.0/1.1 LEO 2000 30/30m 30/30m 美YES2 LEO 2007 31.7km 29km 俄、歐盟KUKAI LEO 2009 5m ~0m 日T-REX Suborbital 2010 300m 300m 日、美TEPCE LEO 2013 1km 未知 美KITE LEO 2015 700m 未知日本JAXA除上述已經(jīng)完成的在軌實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證項(xiàng)目外，目前各國正在進(jìn)行多項(xiàng)空間系繩的究。例如，美國 Tether Unlimited 公司研制的小型電動(dòng)系繩推進(jìn)系統(tǒng) PET[19]，系統(tǒng)曾應(yīng)用于美國 TUI 公司和斯坦福大學(xué)空間系統(tǒng)研究實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合開展的AST 任務(wù)[20]，如圖 1-3 所示。 PET系統(tǒng)無需推進(jìn)劑即可為微小衛(wèi)星提供軌道升或降低、傾角以及姿態(tài)保持所需的推力，同時(shí)也可作為重力梯度姿態(tài)控制單使用。

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7 蘇杭;曹喜濱;張世杰;張錦繡;;應(yīng)用于離軌任務(wù)的裸線陽極電動(dòng)力繩系系統(tǒng)效能分析[A];空天資源的可持續(xù)發(fā)展——第一屆中國空天安全會(huì)議論文集[C];2015年

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8 李強(qiáng);空間繩系衛(wèi)星系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模及仿真研究[D];國防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2007年

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本文編號(hào)：2756230