基于变长度柔索的系绳式卫星展开与拖曳控制

发布时间：2020-07-15 08:16

【摘要】：系绳卫星为当今空间科学领域研究的一大主流方向。系绳卫星系统动力学建模和系绳展开与回收控制问题为现阶段系绳式卫星研究中存在的两大难题。本文针对于系绳式卫星展开和面内机动转移过程进行了动力学建模与系绳稳定控制方法研究,主要包含以下几个方面:充分调研并分析总结现有解决方案中依旧存在的不足,充分了解当前绳索建模理论的最新研究成果以及现代控制理论在该领域的应用前景,明确系绳卫星动力学建模方法及其收放控制算法研究的重要性和必要性;基于绝对节点坐标方法(ANCF)的梁单元基础理论,推导出考虑绳索单元边界具有质量流动情况下的可变长度柔索单元模型,结合卫星刚体动力学模型,推导出能够准确反映系绳的动力学行为特性的含变长度长系绳的系绳卫星动力学模型;为研究系绳展开与回收过程的稳定控制问题,给出系绳卫星系统的“哑铃模型”作为控制系统分析平台,并对其进行无量纲化处理,得到系绳卫星的归一化模型;通过对系绳重力梯度下被动展开和稳定过程仿真分析,研究了系绳卫星系绳展开与稳定过程的动力学行为特性。然后针对机动转移过程中母星推力、两星相对速度、子星相对姿态、系绳初始状态等因素进行了动力学仿真,定性的给出了各因素对系绳稳定性的影响结果;对系绳以匀速、加速、变加速展开过程进行仿真,分析三种基本展开方式下系绳稳定状态;使用高斯伪谱法优化设计满足控制约束条件的系绳展开轨迹,并基于滑模控制理论实现对系绳最优轨迹的跟踪,得到能够有效抑制系绳摆角的展开控制率;针对系绳卫星面内机动转移过程,首先根据时间-能量最省原则设计拖曳转移轨道;然后考虑系绳卫星控制系统仅有系绳张力单一控制量,基于分层滑模控制思想设计包含欠驱动状态量的控制率,使得系绳通过收放改变自身长度来控制状态变量完全收敛;最后对系绳卫星机动转移过程进行仿真及验证。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V448.2
【图文】：

Tiesenhausen[6]、Carroll[7]等人对天梯系绳的探索与研究，系绳卫星的概念逐成，提出并分析了一系列具有深入研究价值的空间应用，同时随着能够满足太空任务需求的具有高强度、密度小、耐热性、抗疲劳稳定性好等特点的复料绳索的出现，系绳卫星的研究受到了世界各地航天领域学者的极大关注和的大力发展，提出了通过对系绳的释放与回收来改变空间卫星系统的距离尺在子星空间部署、系绳卫星交会对接、太空探测、对地测量、卫星转移离轨空垃圾清除、人造重力等方面具有巨大的应用前景[8, 9]。系绳卫星系统相比于传统卫星系统具备特殊的优势，根据实现原理可以分为两类：动量交换系绳和电动力系绳[10]，如图 1-1 和图 1-2 所示。动量交绳基于动量交换原理进行工作，针对于两个航天器位于不同的轨道高度，具度差而使得系绳张紧，进而在重力梯度场作用下达到稳定状态，可应用于创工重力场、航天器轨道机动、载荷运输等[11]。相比于动量交换系绳，电动系大特点在于系绳可以导电，由于系绳中电流大小及方向可调节，因此电动系备更强的可控性与可操作性，可应用于构成大型空间结构、太空测量、电动进、碎片清除等任务[12]。

Tiesenhausen[6]、Carroll[7]等人对天梯系绳的探索与研究，系绳卫星的概念逐成，提出并分析了一系列具有深入研究价值的空间应用，同时随着能够满足太空任务需求的具有高强度、密度小、耐热性、抗疲劳稳定性好等特点的复料绳索的出现，系绳卫星的研究受到了世界各地航天领域学者的极大关注和的大力发展，提出了通过对系绳的释放与回收来改变空间卫星系统的距离尺在子星空间部署、系绳卫星交会对接、太空探测、对地测量、卫星转移离轨空垃圾清除、人造重力等方面具有巨大的应用前景[8, 9]。系绳卫星系统相比于传统卫星系统具备特殊的优势，根据实现原理可以分为两类：动量交换系绳和电动力系绳[10]，如图 1-1 和图 1-2 所示。动量交绳基于动量交换原理进行工作，针对于两个航天器位于不同的轨道高度，具度差而使得系绳张紧，进而在重力梯度场作用下达到稳定状态，可应用于创工重力场、航天器轨道机动、载荷运输等[11]。相比于动量交换系绳，电动系大特点在于系绳可以导电，由于系绳中电流大小及方向可调节，因此电动系备更强的可控性与可操作性，可应用于构成大型空间结构、太空测量、电动进、碎片清除等任务[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、欧盟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除上述已经完成的在轨实验验证项目外，目前各国正在进行多项空间系绳的究。例如，美国 Tether Unlimited 公司研制的小型电动系绳推进系统 PET[19]，系统曾应用于美国 TUI 公司和斯坦福大学空间系统研究实验室联合开展的AST 任务[20]，如图 1-3 所示。 PET系统无需推进剂即可为微小卫星提供轨道升或降低、倾角以及姿态保持所需的推力，同时也可作为重力梯度姿态控制单使用。

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本文编号：2756230