空间绳系系统动力学及其太阳能板姿态控制
发布时间：2022-08-12 21:35
空间绳系系统是一种由多个航天器通过系绳连接而组成的新型空间飞行器。它因自身独特的结构形式而在空间研究、深空探测等领域具有重要的应用。伴随着空间技术发展,多种新型空间系绳应用设想被不断提出,空间绳系系统的形式与功能也逐渐变得多样化。因空间系绳以及太空环境的复杂性,空间绳系系统一直都是国内外研究的热点。本文在总结国内外研究的基础上,针对旋转三角形绳系卫星编队和空间绳系太阳能电站这两种具有复杂结构形式的空间绳系系统,进行动力学与控制方面相关的研究。本文主要内容包括以下几个部分:（1）基于Hill限制性三体问题模型并考虑编队系统质心运动与构型变化之间的耦合,建立平动点附近轨道自旋闭环三角形绳系卫星编队在重构过程中的动力学方程。通过合理假设采用可变长度的单向拉伸弹簧系绳模型,使其能充分反映系绳弹性、松弛以及闭环编队的构型变化。考虑编队的姿-轨耦合,使所建立的编队系统模型能够体现其展开与回收过程中构型变化与轨道运动之间的相互影响。（2）分析了日-地系统L2平动点附近Lyapunov平面周期轨道上的自旋三角形绳系卫星编队系统的动力学稳定性。通过时变的系统动力学方程进行数值仿真,并研究编队在展开与回收...
【文章页数】：136 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
主要符号表
1 绪论
1.1 研究背景及研究意义
1.1.1 绳系卫星系统
1.1.2 平动点空间探测
1.1.3 空间太阳能电站
1.2 国内外研究现状
1.2.1 绳系卫星空间任务
1.2.2 绳系卫星理论研究
1.2.3 近地轨道绳系卫星编队研究进展
1.2.4 平动点附近绳系卫星编队研究进展
1.2.5 空间绳系太阳能电站研究进展
1.3 本文主要研究内容与章节安排
2 圆形限制性三体问题与Clohessy-Wiltshire方程
2.1 圆形限制性三体问题
2.1.1 圆形限制性三体问题中航天器的动力学方程
2.1.2 平动点的位置
2.1.3 Hill限制性三体问题
2.2 Clohessy-Wiltshire方程
2.3 本章小结
3 旋转三角形绳系卫星编队动力学建模与稳定性分析
3.1 动力学方程推导
3.1.1 系统描述
3.1.2 系统动力学方程
3.1.3 系绳中拉力与编队构型改变
3.2 数值仿真与动力学分析
3.2.1 Lyapunov平面周期轨道
3.2.2 编队系统留位状态动力学分析
3.2.3 编队初始旋转速度对系统重构的影响
3.2.4 系绳长度变化速率对系统构型的影响
3.2.5 系绳长度对系统构型的影响
3.2.6 重构过程中编队系统的轨道运动
3.2.7 包含减速阶段的展开过程系绳释放曲线
3.3 本章小结
4 空间绳系太阳能电站动力学建模
4.1 空间绳系太阳能电站结构描述
4.2 可变自由度柔性系绳动力学方程
4.3 太阳能板与平台的动力学方程
4.4 坐标系转换
4.5 轨道坐标系中系绳的离散动力学方程
4.5.1 系绳的离散
4.5.2 系绳自由度调整
4.6 算例:二体绳系编队匀速释放过程
4.7 本章小结
5 空间绳系太阳能电站动力学仿真与稳定性分析
5.1 系统平衡位置与太阳能板姿态描述
5.2 无外界扰动时系统动力学响应
5.3 初始太阳能板姿态误差对系统稳定性的影响
5.4 系绳振动对系统稳定性的影响
5.5 本章小结
6 空间绳系太阳能电站太阳能板姿态控制
6.1 控制系统模型
6.1.1 系统动力学模型
6.1.2 PD反馈控制
6.1.3 受限制的系绳控制力
6.2 数值算例
6.3 本章小结
7 结论与展望
7.1 结论
7.2 创新点
7.3 展望
参考文献
附录A 公式(3.15)-(3.16)中参数
附录B 公式(3.17)-(3.20)中参数
攻读博士学位期间科研项目及科研成果
致谢
作者简介
【参考文献】：
期刊论文
[1]空间飞行器动力学与控制研究综述[J]. 刘付成,朱东方,黄静. 上海航天. 2017(02)
[2]基于辛Runge-Kutta方法的太阳帆塔动力学特性研究[J]. 邓子辰,曹珊珊,李庆军,蒋宪宏. 中国科学:技术科学. 2016(12)
[3]绳系空间太阳能电站动力学响应分析[J]. 魏乙,邓子辰,李庆军,张凯. 宇航学报. 2016(09)
[4]基于珠式模型的绳系卫星安全交会过程建模与仿真[J]. 冯杰,孙铁成,王剑,谢明玻. 火力与指挥控制. 2016(09)
[5]柔性系绳平衡状态临界绳长研究[J]. 李爱军,李婧忱,王长青,董哲. 空间科学学报. 2016(03)
[6]空间太阳能电站聚光模式研究[J]. 张兴华,侯欣宾,王立,闫勇. 中国空间科学技术. 2016(02)
[7]Nonlinear dynamics of flexible tethered satellite system subject to space environment[J]. Bensong YU,Dongping JIN,Hao WEN. Applied Mathematics and Mechanics（English Edition）. 2016(04)
[8]绳系卫星释放阶段的空间姿态非线性稳定控制[J]. 王长青,杜崇刚,李爱军,Z.H.Zhu. 西北工业大学学报. 2016(01)
[9]辐射开环绳系卫星编队自旋展开动力学与控制策略[J]. 苏飞,翟光,张景瑞,张尧. 航空学报. 2016(09)
[10]SSPS太阳能收集系统研究现状及发展趋势[J]. 杨阳,张逸群,王东旭,李勋. 宇航学报. 2016(01)
博士论文
[1]共线平动点附近二体绳系卫星系统轨道保持控制方法研究[D]. 刘刚.哈尔滨工业大学 2015
[2]复杂太空环境下柔性绳系卫星动力学与控制[D]. 余本嵩.南京航空航天大学 2011
[3]平动点附近多体绳系卫星编队动力学与控制[D]. 赵军.大连理工大学 2010
硕士论文
[1]平动点附近旋转三角形绳系卫星编队动力学[D]. 周红.大连理工大学 2012
本文编号：3676636
【文章页数】：136 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
主要符号表
1 绪论
1.1 研究背景及研究意义
1.1.1 绳系卫星系统
1.1.2 平动点空间探测
1.1.3 空间太阳能电站
1.2 国内外研究现状
1.2.1 绳系卫星空间任务
1.2.2 绳系卫星理论研究
1.2.3 近地轨道绳系卫星编队研究进展
1.2.4 平动点附近绳系卫星编队研究进展
1.2.5 空间绳系太阳能电站研究进展
1.3 本文主要研究内容与章节安排
2 圆形限制性三体问题与Clohessy-Wiltshire方程
2.1 圆形限制性三体问题
2.1.1 圆形限制性三体问题中航天器的动力学方程
2.1.2 平动点的位置
2.1.3 Hill限制性三体问题
2.2 Clohessy-Wiltshire方程
2.3 本章小结
3 旋转三角形绳系卫星编队动力学建模与稳定性分析
3.1 动力学方程推导
3.1.1 系统描述
3.1.2 系统动力学方程
3.1.3 系绳中拉力与编队构型改变
3.2 数值仿真与动力学分析
3.2.1 Lyapunov平面周期轨道
3.2.2 编队系统留位状态动力学分析
3.2.3 编队初始旋转速度对系统重构的影响
3.2.4 系绳长度变化速率对系统构型的影响
3.2.5 系绳长度对系统构型的影响
3.2.6 重构过程中编队系统的轨道运动
3.2.7 包含减速阶段的展开过程系绳释放曲线
3.3 本章小结
4 空间绳系太阳能电站动力学建模
4.1 空间绳系太阳能电站结构描述
4.2 可变自由度柔性系绳动力学方程
4.3 太阳能板与平台的动力学方程
4.4 坐标系转换
4.5 轨道坐标系中系绳的离散动力学方程
4.5.1 系绳的离散
4.5.2 系绳自由度调整
4.6 算例:二体绳系编队匀速释放过程
4.7 本章小结
5 空间绳系太阳能电站动力学仿真与稳定性分析
5.1 系统平衡位置与太阳能板姿态描述
5.2 无外界扰动时系统动力学响应
5.3 初始太阳能板姿态误差对系统稳定性的影响
5.4 系绳振动对系统稳定性的影响
5.5 本章小结
6 空间绳系太阳能电站太阳能板姿态控制
6.1 控制系统模型
6.1.1 系统动力学模型
6.1.2 PD反馈控制
6.1.3 受限制的系绳控制力
6.2 数值算例
6.3 本章小结
7 结论与展望
7.1 结论
7.2 创新点
7.3 展望
参考文献
附录A 公式(3.15)-(3.16)中参数
附录B 公式(3.17)-(3.20)中参数
攻读博士学位期间科研项目及科研成果
致谢
作者简介
【参考文献】：
期刊论文
[1]空间飞行器动力学与控制研究综述[J]. 刘付成,朱东方,黄静. 上海航天. 2017(02)
[2]基于辛Runge-Kutta方法的太阳帆塔动力学特性研究[J]. 邓子辰,曹珊珊,李庆军,蒋宪宏. 中国科学:技术科学. 2016(12)
[3]绳系空间太阳能电站动力学响应分析[J]. 魏乙,邓子辰,李庆军,张凯. 宇航学报. 2016(09)
[4]基于珠式模型的绳系卫星安全交会过程建模与仿真[J]. 冯杰,孙铁成,王剑,谢明玻. 火力与指挥控制. 2016(09)
[5]柔性系绳平衡状态临界绳长研究[J]. 李爱军,李婧忱,王长青,董哲. 空间科学学报. 2016(03)
[6]空间太阳能电站聚光模式研究[J]. 张兴华,侯欣宾,王立,闫勇. 中国空间科学技术. 2016(02)
[7]Nonlinear dynamics of flexible tethered satellite system subject to space environment[J]. Bensong YU,Dongping JIN,Hao WEN. Applied Mathematics and Mechanics（English Edition）. 2016(04)
[8]绳系卫星释放阶段的空间姿态非线性稳定控制[J]. 王长青,杜崇刚,李爱军,Z.H.Zhu. 西北工业大学学报. 2016(01)
[9]辐射开环绳系卫星编队自旋展开动力学与控制策略[J]. 苏飞,翟光,张景瑞,张尧. 航空学报. 2016(09)
[10]SSPS太阳能收集系统研究现状及发展趋势[J]. 杨阳,张逸群,王东旭,李勋. 宇航学报. 2016(01)
博士论文
[1]共线平动点附近二体绳系卫星系统轨道保持控制方法研究[D]. 刘刚.哈尔滨工业大学 2015
[2]复杂太空环境下柔性绳系卫星动力学与控制[D]. 余本嵩.南京航空航天大学 2011
[3]平动点附近多体绳系卫星编队动力学与控制[D]. 赵军.大连理工大学 2010
硕士论文
[1]平动点附近旋转三角形绳系卫星编队动力学[D]. 周红.大连理工大学 2012
本文编号：3676636
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