太阳帆卫星联合仿真及轨道推进控制研究

发布时间：2020-07-08 07:30

【摘要】：近年来,航天技术的快速进步不仅大大促进了其在军事、科学、商业等领域中的大规模应用,也对其自身任务的精准执行提出了更高的要求。在航天核心技术中,小推力推进技术对于飞行器的精确、稳定控制起到了十分重要的作用。目前,小推力推进技术主要包括:电推进,束能推进,太阳帆推进,微型推进。其中,由于太阳帆推进技术不需要消耗任何工质,因此,可以明显降低系统的复杂度,实现系统的稳定持续运行。本文针对太阳帆推进技术进行研究,主要包括以下几个研究内容:①建立了太阳帆卫星联合仿真模型。介绍了专业软件—System Tool Kit(STK)的基本功能,构建了基于STK的太阳帆卫星模型,设计了STK-MATLAB联合仿真机制。②设计了太阳帆卫星变轨控制方案。给出了太阳帆模型、光压推力模型以及太阳同步悬浮轨道的定义,设计了太阳帆卫星变轨控制方案,分别在MATLAB和STK上进行了仿真分析。③提出了混合小推力作用下的轨道机动最优控制方法。介绍了混合小推力的基本知识,给出了太阳帆卫星的摄动方程,在电推进小推力最优控制基础上,利用混合小推力策略,通过增加太阳帆推进技术进行了优化。分别在MATLAB和STK上进行了仿真分析。本文的创新点主要包括:通过控制帆面姿态将太阳帆卫星推向太阳同步悬浮轨道,同时计算了太阳帆卫星所能保持的最大悬浮高度;分析了混合推进技术在卫星进入地球同步轨道中的动态特性。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP391.9;V448.2;V411.8
【图文】：

１．３．１太阳光压模型逡逑由于帆卫星距离太阳的距离比较远，所以一般研究光压力对帆面的推力问题逡逑时，都假设太阳光为平行光子流入射，如图１．１所示。逡逑光子流逡逑／逦＼太阳帆面逡逑＾帆面法线逡逑图１．１太阳光子流入射示意图逡逑图中，光子流入射方向与帆面的法向夹角ａ为太阳光压力入射角。太阳光压力是逡逑由于太阳光子撞击在太阳帆表面所产生的。逡逑在光子撞击的过程中，太阳光子流除了一部分被帆面反射回去外，还有一部逡逑分被吸收，另外一部分穿透太阳帆而过，如图１．２所示。在图１．２中ａ为光子被逡逑吸收情况，ｂ为光子穿透帆面，ｃ为光子镜面反射，ｄ为光子发生漫反射。逡逑实际的问题分析过程中，一般假设太阳帆航天器具有良好的密封性能。则可逡逑以假设光子的穿透系数＆＝0。上式中光子在反射过程中包括镜面反射和漫反射。逡逑由图１．１、１．２可以得⑴：逡逑Ｐａ＋Ｐｒ＋Ｐｐ＾逦（１．１）逡逑Ｐｒ＝Ｐｓ＋Ｐｊ逦（１－２）逡逑式中：■、／Ｖ、分别为光子的吸收系数，反射系数，穿透系数；Ａ、分逡逑别为太阳光子的镜面反射和漫反射系数。镜面反射光子的反射角等于入射角，漫逡逑反射是各向同性的。在某一方向上的发光强度等于这个面垂直方向上发光强度与逡逑帆面法向的矢量积

图１．２太阳光子撞击帆面情况逡逑１．３．２太阳帆悬浮轨道简介逡逑图１．３和１．４分别为日心悬浮轨道和地心悬浮轨道Ｍ。图１．３由于太阳帆距逡逑离其他行星的距离非常远，只考虑太阳的引力，所以可以假设太阳帆卫星只受到逡逑太阳的引力和太阳光压力作用，则可以通过调整太阳帆姿态角改变帆卫星的轨道逡逑高度ｈ，进而得到太阳帆的轨道半径ｐ。图１．４为太阳帆悬浮在地心轨道上，当逡逑不考虑其他摄动力的影响，只考虑太阳引力、地球引力以及太阳光压力作用时，逡逑卫星悬浮在地心轨道上，本文在第２章分析的太阳同步悬浮轨道就是这种情况，逡逑１０逡逑

图１．３日心悬浮软道逡逑

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本文编号：2746270