绳系拖车在轨稳定及目标离轨控制方法研究

发布时间：2020-11-13 01:05

　　 空间碎片主要源于发射任务中航天器的爆炸、火箭上面级以及废弃的卫星,由于相对速度很高,任何碰撞都可能造成灾难性后果,对正常运行的飞行器以及航天员安全都构成严重威胁。根据碰撞级联效应,当空间碎片水平升高到爆发点时,有可能会使得近地空间碎片环境急剧恶化。研究表明,主动碎片清除是降低空间碎片密度的唯一可行方法。绳系拖车系统通过远距离捕获目标,可以很大程度保证平台的安全。本文以采用绳系拖车系统清除某废弃卫星为研究背景,开展了绳系系统的稳定控制与目标离轨研究,主要内容如下:针对绳系拖车系统的动力学建模,将服务飞行器和目标考虑为刚体,并给出了考虑系绳拉力产生的力矩的姿态动力学方程。系绳采用珠点法建模,将系绳的质量集中在珠点上,珠点之间为阻尼弹簧模型,并给出了每段系绳的张力计算公式。根据二体动力学给出了服务飞行器与目标的质心动力学方程,模型中考虑环境摄动力,包括大气阻力与地球扁率摄动。针对绳系拖车系统的控制,考虑到系绳的柔性,本文研究了基于波形的控制(Wave-Based Control,WBC)方法,可以改变系统的运动且避免发生碰撞。WBC不需要进行精确的建模,并且有很强的鲁棒性。首先分析了一维WBC控制器设计,确定了控制器参数。最终将WBC扩展到三维,分别对系统的平动速度和运动方向进行控制。类似地,对服务航天器的滚转、偏航和俯仰通道也分别建立了WBC控制方案。仿真结果表明WBC可以有效的对系统进行稳定控制。针对目标离轨,本文涉及到三种离轨方式,分别为单次机动离轨、双次机动离轨以及单次机动后通过气动阻力衰减离轨。单次机动离轨所耗时间适中,燃料消耗适中,并且坠落地点可控,是本文所提到的三种方法中比较合适的方法;双次机动离轨虽然坠落地点可控,但是燃料消耗过高,几乎为单次机动离轨的两倍;单机机动衰减离轨所耗燃料最少,但耗时有可能很长,并且坠落地点无法确定。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：V448.2
【部分图文】：

绳系卫星示意图

图 1-5 绳系卫星在轨实验一览图表 1-2 绳系卫星实验在轨项目表项目名称 日期 实施者 系绳Gemini 11 1966.09 NASA 3Gemini 12 1966.11 NASA 3TPE-1 1980 NASA 4Charge-2 1985.12 NASA/ISAS 4TSS-1 1992.07 NASA/ISAS 2SEDS-1 1993.03 NASA 2TSS-1R 1996.02 NASA 19MAST 2007.04 TUI/SSDL 1YES-2 2007.09 ESA 31STARS 2009.01 JAXA 1STARS-1 2009.01 JAXA 1现状任务（Gemini 11，Gemini 12）宇航员加加林送入太空，美国不甘落后，将载人登其需要的技术，美国在 1965 年进行了双子座实验

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文工程师卫星 2（YES2）罗斯与欧洲联合进行了青年工程师卫星 2（YES）实利用系绳动态释放实现载荷返回。实验过程为首先将释放，此时返回舱在当地垂线附近摆动，然后系绳快向轨道飞行方向之后反方向摆动时施加减速脉冲，之附近摆动时离开系绳，进入大气层自然坠落。虽然实值，返回舱仍然离轨。YES2 示意图如图 1-12 所示。
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本文编号：2881502