旋转电动帆动力学建模及分析

发布时间：2020-08-22 20:50

【摘要】：随着人类探索空间的步伐加快,深空探测成为了人类开发未知太空的又一大课题。然而,对于深空探测,找到一种高效稳定的空间飞行推进方式是完成这一类空间任务的首要条件也是最关键的一步。其中,电动帆无工质推进技术以其质量轻、推力大、推力衰减慢、姿态易调节等优势得到了国内外相关科研机构和专家的重视。其旋转释放展开、推进性能验证、轨道和姿态动力学等问题是目前研究的热点。针对电动帆推进技术的发展现状,本文着重开展超大尺度电动帆动力学建模和分析研究,主要内容包括:1.使用Lagrange方法建立旋转电动帆释放动力学模型,并进一步规划导线释放速度,考虑航天器喷气力补偿,分析航天器姿态、导线姿态和释放导线长度间的动力学耦合关系。2.研究由两颗微小卫星通过导线连接构成的电动帆系统。采用旋转电动帆“哑铃”模型假设进行其姿轨耦合动力学建模,结合Gauss形式的非奇异轨道摄动方程研究系统的姿态动力学和控制问题,并针对日心非开普勒轨道环境,分析电动帆航天器的推进性能指标。3.基于绝对坐标方法,首先采用“刚性杆链”建模假设将大尺度导线离散化,建立单导线旋转电动帆的多刚体动力学模型。分析不同自旋角速率和分段数目下单根导线的结构变形,并与“珠链”模型对比。继而,进一步将该项研究向多导线和三维情况扩展,分析多导线组合的旋转电动帆系统在推进过程中的帆面变形和稳定性问题。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V442
【图文】：

类探索空间步伐的加快，我们在卫星应用和载人航天领域已经取得了重大成广阔的太阳系，甚至太阳系以外的空间探测成为了人类探索未知的又一大课种成本低且高效稳定的空间飞行推进方式是完成这一类空间任务的首要条件。以人类从事航天事业的发展来看，航天器推进系统经历了早期的脉冲推进动机以及液体火箭发动机等）和连续小推力推进系统。相比较前者，连续小明显高于化学燃料推进系统[1]。但是伴随着飞行距离和空间任务代价的增长方式仍然难以满足深空探测的需求。于是，近年来又出现了一类比冲无限大技术，如地磁帆[2]和太阳帆[3]。推进方式通过自身的结构特点，对太空中的光子或者带电粒子进行反射，实学燃料便能获得持续不断推力的目的。正是由于这种推进方式不受有限燃料可以实现包括深空探测在内几乎所有的空间飞行任务，如太阳系内行星之间系外深空探测、非开普勒轨道保持以及小行星带探测等[4]。种新兴的，主要面向深空探测的无工质推进技术，电动帆的概念首先是由芬n 在地磁帆推进技术的启发下于 2004 年提出[6]，其整体构型和飞行原理如图

(a) ESTCube-1 卫星[33](b) Aalto-1 卫星[34]图 1.3 电动帆原理样机NASA 对电动帆推进技术的开发和测试工作由美国宇航局创新先进概念项目(NIAC)提供研发基金。一期“日球层顶静电快速运输系统”(HERTS)计划，计划用于太阳风顶层探测研究[32]。2015 年，NASA 授予 Janhunen 团队第二阶段创新先进概念奖，将电动帆推进技术研究列为二期NIAC 计划的研究项目之一。如果该计划进行顺利，HERTS 电动帆航天器将于 10 到 15 年之内完成长达 100 个天文单位的空间旅行。其中，概念技术示范任务(TDM)作为 HERTS 起步测试阶段的一项关键性空间实验飞行任务，将在地球磁层外，利用两颗 6U 微小卫星释放展开总长度为 16km 的导线，用来验证电动帆航天器推进原理并监测太阳活动对太空环境的影响，该概念航天器设计如图 1.4 所示[32]。

STCube-1 卫星[33](b) Aalto-1 卫图 1.3 电动帆原理样机帆推进技术的开发和测试工作由美国宇航局创新先进概念项层顶静电快速运输系统”(HERTS)计划，计划用于太阳风顶予 Janhunen 团队第二阶段创新先进概念奖，将电动帆推进技目之一。如果该计划进行顺利，HERTS 电动帆航天器将于文单位的空间旅行。其中，概念技术示范任务(TDM)作为 HE间实验飞行任务，将在地球磁层外，利用两颗 6U 微小卫星用来验证电动帆航天器推进原理并监测太阳活动对太空环境4 所示[32]。

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本文编号：2801134