天梯系统特征参数设计及动力学研究

发布时间：2022-11-07 17:18

　　天梯系统是一种为解决低成本空间运输的空间系绳系统,其高效率、大荷载、可重复利用等特点,在航空航天领域具有广阔的应用前景。西方国家自2000年以来逐渐对天梯系统的动力学与控制等方面进行了深入研究。本文旨在分析天梯系统的特征参数对系统结构及性能的影响,并研究系统动力学行为,为我国天梯研究和发展提供理论依据。本文以传统的赤道天梯系统为基础,应用静力学、非线性动力学、最优控制等方法,通过系统建模、理论分析、数值仿真等手段,深入研究了系统部署纬度对天梯系统的构型、运载能力、系统稳定性、模态的影响,以及攀爬器攀爬过程中系统的动力学响应和面内、外振荡抑制的问题。论文的主要内容和成果如下:首先,理论论证了赤道天梯系统的可行性,总结了赤道天梯系统结构设计方法,获得了核心参数对系统规模影响规律,并给出了系统负载能力的计算方法。在此基础上,提出了采用离散模型设计非赤道天梯系统的方法,通过对比分析论证了该方法的有效性和精确性。结果表明,该方法可以精确计算系统的部署范围及负载能力。其次,采用Lagrange方法建立计入大气阻尼的赤道天梯刚性绳索动力学模型,借用线性稳定性定理对原非线性系统在平衡点附近的拓扑等价线... 

【文章页数】：137 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 课题背景及研究的目的和意义
    1.2 天梯系统理论研究
        1.2.1 天梯系统的起源及发展
        1.2.2 天梯系统面临的力学环境
        1.2.3 绳索的研究
        1.2.4 天梯系统的动力学与控制研究
    1.3 论文的主要研究内容
第2章 天梯系统特征参数设计研究
    2.1 引言
    2.2 赤道天梯系统理论验证
        2.2.1 从地球同步轨道卫星到天梯的演变
        2.2.2 赤道平面中不同半径处质点的受力
        2.2.3 系绳截面受力
    2.3 赤道天梯系统设计方法
        2.3.1 系绳截面轮廓
        2.3.2 系绳及天顶锚的质量
        2.3.3 系统负载能力
        2.3.4 系统质量优化
    2.4 非赤道天梯系统设计方法
        2.4.1 模型概述及质量离散
        2.4.2 静平衡模型
        2.4.3 系统部署纬度范围
        2.4.4 系统负载能力
    2.5 本章小结
第3章 天梯系统动力学建模
    3.1 引言
    3.2 赤道天梯系统简化模型
        3.2.1 系统机械能
        3.2.2 空气阻力
        3.2.3 非线性系统动力学方程
        3.2.4 多攀爬器系统动力学方程
    3.3 天梯系统通用模型
        3.3.1 多体绳索动力学模型
        3.3.2 整合攀爬器动力学方程
    3.4 坐标系概述
    3.5 本章小结
第4章 天梯系统稳定性及模态分析
    4.1 引言
    4.2 天梯系统稳定性论证
        4.2.1 系统动力学方程简化
        4.2.2 稳定性分析
    4.3 天梯系统模态分析
        4.3.1 基于静平衡位置的方程线性化
        4.3.2 动力学方程无量纲化
        4.3.3 数值结果与讨论
    4.4 本章小结
第5章 天梯系统的动力学响应
    5.1 引言
    5.2 攀爬器轨迹及控制
        5.2.1 攀爬器速度加载方案
        5.2.2 控制器设计
    5.3 攀爬器运动对系统造成的扰动
        5.3.1 赤道天梯
        5.3.2 非赤道天梯
    5.4 日、月引力摄动
        5.4.1 摄动力方程推导
        5.4.2 数值结果与讨论
    5.5 本章小结
第6章 最小系统残余振荡的攀爬器运行方案
    6.1 引言
    6.2 最优三段式攀爬器速度加载方案
        6.2.1 加减速时间比
        6.2.2 数值结果与讨论
    6.3 七段式攀爬器速度加载方案
        6.3.1 速度加载方案
        6.3.2 优化方案
        6.3.3 数值结果与讨论
    6.4 天梯系统面内、外振荡抑制方案
    6.5 本章小结
结论
参考文献
攻读博士学位期间发表的论文及其它成果
致谢
个人简历


【参考文献】：
期刊论文
[1]月球天梯月球基地的总体设计[J]. 田忠建,蒋婷婷,周莉,陈佳豪.  机械管理开发. 2018(06)
[2]L1点月球天梯绕地运行过程动力学[J]. 王晓慧,毛李恒.  载人航天. 2018(01)
[3]天梯系统指标初步研究[J]. 张普卓,汪小卫,刘丙利,唐庆博.  导弹与航天运载技术. 2016(03)
[4]月球天梯力学特性研究[J]. 李蒙,陈伟跃,杨胜,高旭.  中国空间科学技术. 2016(03)
[5]天梯技术研究进展[J]. 汪小卫,鲁宇,刘丙利,张普卓,吴胜宝.  导弹与航天运载技术. 2015(02)
[6]基于傅里叶展开的电动力绳系卫星最优控制[J]. 潘伟,路长厚,李吉栋,孔令敏.  航空学报. 2011(09)
[7]三维电动力绳系子卫星轨道转移的最优控制[J]. 刘丽丽,文浩,金栋平,胡海岩.  计算力学学报. 2011(02)
[8]绳系卫星轨道转移的最优控制[J]. 刘丽丽,文浩,金栋平,胡海岩.  航空学报. 2009(02)
[9]倾斜轨道电动力绳系卫星回收控制[J]. 文浩,金栋平,胡海岩.  力学学报. 2008(03)
[10]绳系卫星系统复杂模型研究[J]. 朱仁璋,雷达,林华宝.  宇航学报. 1999(03)

博士论文
[1]特高压导线覆冰舞动机理与新型防舞器的应用基础研究[D]. 赵彬.中国电力科学研究院 2017
[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

硕士论文
[1]空间绳系卫星系统动力学建模及仿真研究[D]. 李强.国防科学技术大学 2007



本文编号：3704084