空间碎片绳网捕获拖曳恒张力控制

发布时间：2021-10-30 22:20

　　针对空间绳网系统捕获空间碎片后,在轨道转移过程中的精确控制问题,提出一种使用常值拉力将空间碎片拖曳至坟墓轨道的方法。首先,采用牛顿欧拉法建立绳系组合体动力学模型;其次,通过李雅普诺夫方法证明仅使用恒张力即可实现拖曳过程的稳定控制;再次,提出采用常值拉力切换控制律抑制空间碎片的姿态章动,采用基于相平面控制原理的控制律抑制绳系组合体面内面外摆动,规避在轨道转移过程中系绳松弛造成缠绕、系绳张力过大造成断裂或两星接近发生碰撞等风险。最后,通过拖曳离轨全过程仿真分析,校验了所提出控制方法的有效性。 

【文章来源】：宇航学报. 2020,41(07)北大核心EICSCD

【文章页数】：8 页

【部分图文】：

绳系拖曳系统组成与连接关系

为了对恒定张力条件下的绳系拖曳系统进行稳定性分析,采用图2所示的简化绳系拖曳系统模型。将拖船航天器视为质量为m1的质点,将失效航天器视为质量为m2、转动惯量为Jx,Jy和Jz的刚体。系绳分别连接在碎片刚体质心和拖船航天器质点上,其质量可以忽略。定义当地铅锤水平坐标系C0X0Y0Z0:原点取为系统质心C0,X0轴从地心铅锤指向上,Y0轴在轨道平面内垂直于X0轴并指向系统的前进方向,Z0轴由右手法则定义。为描述碎片的姿态,定义原点在碎片质心、坐标轴为碎片刚体惯性主轴的体固坐标系C2X2Y2Z2。定义系统的广义坐标如下:从当地铅锤方向到X2轴的夹角为θ(顺时针为正);从当地水平方向到碎片和拖船质心连线的夹角为γ(顺时针为正);碎片和拖船的质心距为l。系绳张力Ft为常值,系统的运动在轨道平面内,质心的运动轨迹为圆轨道,利用拉格朗日方程可以得到空间碎片绳系拖曳系统的运动微分方程[13]如下:

考虑到目标为失效航天器且被飞网包裹时自旋情况不确定,认为其可能有一定角度的章动。为保证拖曳过程中不会发生系绳缠绕等风险,在对目标进行拖曳离轨前,应当对目标的章动角进行抑制,减弱拖曳过程中目标的章动对系统的影响。其姿态章动幅度大小可通过两星连线与自旋轴间夹角体现,故可通过抑制两星连线与目标自旋轴的夹角对目标姿态进行章动抑制。在拖曳过程中,当拖船航天器质心、网端绳结、目标质心三者共线情况下,系绳张力对目标姿态不会产生影响,此时两星连线与目标本体自旋轴的夹角ξb为控制平衡位置,如图3所示。由于失效航天器姿态存在章动,故在拖曳过程中两星连线与目标自旋轴的夹角以ξb为中心摆动。章动抑制的目的就是将两星连线与目标自旋轴的夹角ξ控制在一定范围内,由此设计章动抑制常值切换张力控制律为:

【参考文献】：
期刊论文
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[3]空间绳系拖拽系统摆动特性与平稳控制[J]. 赵国伟,张兴民,唐斌,孙亮.  北京航空航天大学学报. 2016(04)
[4]含不确定性的绳系卫星姿态的鲁棒最优控制[J]. 黄静,刘刚,马广富.  宇航学报. 2012(10)
[5]地球静止轨道废弃卫星绳系拖曳离轨研究[J]. 刘海涛,杨乐平,张青斌,朱彦伟.  中国科学:技术科学. 2012(07)



本文编号：3467529