面向大型旋转空间碎片捕获的接触式消旋技术研究
发布时间：2020-11-21 15:20
随着人类对外太空的探索,地球同步轨道已经被大量太空碎片占据,这些碎片对在轨设备构成了重大威胁,为了应对此威胁,空间碎片主动移除技术应运而生,尤其是大型空间碎片,其被捕获移除的需求最为迫切。但大型空间碎片运动复杂,残余动能较大不易控制,难以直接捕获。消旋技术可以消耗碎片的残余动能,减小移除过程中的冲击,从而提高大型空间碎片的捕获成功率。本文首先对面向大型空间碎片捕获的消旋进行了分析。本文中的空间碎片为某一类失效卫星,对其运动状态进行分析,根据其动能集中情况,将运动分为单轴运动和三轴运动;与运动情况相对应进行消旋,分别对碎片进行单轴消旋或三轴消旋,建立了对应的动力学方程;分析了消旋中的消旋力矩,选取了消旋力矩的形式,分析了预期消旋时间,并分析了三轴消旋中消旋力矩的空间布局。然后根据技术指标完成了消旋机构的设计。设计了三个耗能器串联构成的消旋机构;重点耗能器进行设计,耗能器中摩擦副作为工作部件,对摩擦副受力情况进行分析,摩擦副受到预加力和作用力;在完成耗能器设计后,根据消旋力矩的空间布局确定耗能器位置关系,根据运动空间优化耗能器空间位置参数,在耗能器间添加连接件,并对连接件进行强度校核。对消旋过程进行动力学仿真,分析消旋机构对机械臂的反馈力。在Adams中搭建仿真平台,对不同初始角速度和受力情况下的碎片进行消旋仿真,对摩擦副受力情况和目标初始角速度与对机械臂反馈力的关系进行分析,利用神经网络对此关系进行拟合,根据机械臂可承受反馈力范围,调节摩擦副受到预加力,保证对不同初始角速度下的目标,反馈力在可承受范围内。最后进行了地面消旋实验。搭建了地面单轴实验平台,对摩擦副的动,静摩擦特性进行测试,对摩擦副受力与摩擦转矩关系进行拟合,并进行论文单轴消旋实验,并利用单轴消旋实验数据对三轴消旋仿真进行修正。在目标质心坐标系三轴上同时施加消旋力矩,能够消除目标残余动能;对于大型空间碎片,消旋机构能够减小捕获过程中的反馈力,扩大主动移除目标动能范围。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V528
【部分图文】：
是其中十分重要的一个环节。面前国内外消旋技术研究主要是通过力矩，消耗目标残余动能，根据消旋机构是否与目标接触，消旋技术式消旋和非接触式消旋，下面对国内外消旋技术进行简要介绍。在介，首先对主动移除技术进行简述。非接触式消旋研究现状接触式消旋中，消旋机构不与目标直接接触，在消旋过程中可以与目全距离，与目标发生碰撞的风险小，但非接触式消旋机构一般体积复杂。1） 离子束消旋德里理工大学的 Claudio Bombardelli 和 Jesus Peláez 设计了一套离子，通过向目标发射等离子束，施加冲量改变目标运动状态，在消旋过标间可以保持 10-20m 的安全距离，在消旋过程中仅需靠近目标，不位置控制，也不需保持伴飞或对接姿态。在此方案中，等离子束可以能，已经可以达到 30 km/s[39]。此系统如图 1-1 所示。
消旋力大小主要取决于两者间相对距离，相对姿态和过程前需要对目标的表面材质和形状进行建模识别踪，其气体冲量的作用角度主要靠调整卫星姿态保证高的要求，同时存在碰撞的危险。力消旋大学的 Trevor Bennett 和 Hanspeter Schaub 提出了一种此方法中卫星首先通过专用的电子发射装置，向目标势改变，再通过静电力对目标施加消旋力矩，改变目标先针对单轴旋转目标进行了理论研究和实验验证，利进行了理论分析。其消旋力矩大小主要取决电势差和关系主要包括距离和相对姿态。目标的电势情况，本方案中提出了一种 Multi-Sphere型，此模型中将目标视为一多球体复合的集合，为有限基础。如图 1-2 所示，可以将以圆柱状目标如火箭末级势计算。此方案中消旋力的大小主要与相对距离，电势
a)吸盘型 b) 钻头型图 1-3ASEM 装置结构示意图[42]该装置体积小重量轻，可以在航天器上一次携带大量此装置，得益于此使用以在一个目标上使用多个相互配合工作。同时由于 ASEM 装置的结构特点，要对目标进行高精度的位置跟随，在接近到一定范围后，即可通过钻头或吸盘在目标上，此时主动移除系统即可对目标进行捕获移除，对现有针对合作目标的各种对接捕获系统兼容性好。此外，还有一些使用激光，各类离子的非接触式消旋方案，但仅停留在理论或概念层次，尚无相关仿真模拟或地面实验，在本文中不对其进行过多讨论.3.2 接触式消旋研究现状接触式消旋出现较早，通常采用在机械臂末端搭载消旋工具的形式，通过末具对目标施加消旋力。接触式消旋中可以利用末端执行器中的相关技术，其技备较为充足，下面依次对国内外几种典型接触式消旋进行简析。（1） 减速刷消旋
【参考文献】
本文编号：2893204
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V528
【部分图文】：
是其中十分重要的一个环节。面前国内外消旋技术研究主要是通过力矩，消耗目标残余动能，根据消旋机构是否与目标接触，消旋技术式消旋和非接触式消旋，下面对国内外消旋技术进行简要介绍。在介，首先对主动移除技术进行简述。非接触式消旋研究现状接触式消旋中，消旋机构不与目标直接接触，在消旋过程中可以与目全距离，与目标发生碰撞的风险小，但非接触式消旋机构一般体积复杂。1） 离子束消旋德里理工大学的 Claudio Bombardelli 和 Jesus Peláez 设计了一套离子，通过向目标发射等离子束，施加冲量改变目标运动状态，在消旋过标间可以保持 10-20m 的安全距离，在消旋过程中仅需靠近目标，不位置控制，也不需保持伴飞或对接姿态。在此方案中，等离子束可以能，已经可以达到 30 km/s[39]。此系统如图 1-1 所示。
消旋力大小主要取决于两者间相对距离，相对姿态和过程前需要对目标的表面材质和形状进行建模识别踪，其气体冲量的作用角度主要靠调整卫星姿态保证高的要求，同时存在碰撞的危险。力消旋大学的 Trevor Bennett 和 Hanspeter Schaub 提出了一种此方法中卫星首先通过专用的电子发射装置，向目标势改变，再通过静电力对目标施加消旋力矩，改变目标先针对单轴旋转目标进行了理论研究和实验验证，利进行了理论分析。其消旋力矩大小主要取决电势差和关系主要包括距离和相对姿态。目标的电势情况，本方案中提出了一种 Multi-Sphere型，此模型中将目标视为一多球体复合的集合，为有限基础。如图 1-2 所示，可以将以圆柱状目标如火箭末级势计算。此方案中消旋力的大小主要与相对距离，电势
a)吸盘型 b) 钻头型图 1-3ASEM 装置结构示意图[42]该装置体积小重量轻，可以在航天器上一次携带大量此装置，得益于此使用以在一个目标上使用多个相互配合工作。同时由于 ASEM 装置的结构特点，要对目标进行高精度的位置跟随，在接近到一定范围后，即可通过钻头或吸盘在目标上，此时主动移除系统即可对目标进行捕获移除，对现有针对合作目标的各种对接捕获系统兼容性好。此外，还有一些使用激光，各类离子的非接触式消旋方案，但仅停留在理论或概念层次，尚无相关仿真模拟或地面实验，在本文中不对其进行过多讨论.3.2 接触式消旋研究现状接触式消旋出现较早，通常采用在机械臂末端搭载消旋工具的形式，通过末具对目标施加消旋力。接触式消旋中可以利用末端执行器中的相关技术，其技备较为充足，下面依次对国内外几种典型接触式消旋进行简析。（1） 减速刷消旋
【参考文献】
相关期刊论文 前3条
1 张帆;黄攀峰;;空间绳系机器人抓捕非合作目标的质量特性参数辨识[J];宇航学报;2015年06期
2 黄攀峰;张帆;徐秀栋;;考虑空间系绳释放特性的空间绳系机器人协调耦合控制[J];控制与决策;2015年06期
3 金小龙;唐轶峻;隋成华;;空间碎片光谱特性获取与分析方法研究[J];空间科学学报;2014年01期
本文编号：2893204
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