基于动量交换原理的连续地月载荷转移系统动力学研究

发布时间：2017-09-13 03:13

  本文关键词：基于动量交换原理的连续地月载荷转移系统动力学研究

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【摘要】：开发月球、建立月球基地,并以月球为跳板开发火星等更远的天体成为目前及未来深空探测的主要目标。在地月载荷转移期间,以火箭为发射工具的传统运输方式成本高、不可重复使用而受到制约,寻求一种低成本、可重复使用、能进行载荷的连续转移的运输方式十分必要。基于动量交换原理的绳系式连续地月载荷转移系统(Continuous Cislunar Payload Transfer System,CCPTS)具有可重复使用、消耗能量小、能实现地月之间载荷连续转移等优点,具有一定的研究价值。本文在前人的研究基础上,对CCPTS的动力学、基于锥形绳的动力学以及CCPTS的改进型的动力学进行了深入研究,并对载荷的入轨速度需求、入轨精度以及CCPTS的能量等进行了理论分析,主要开展了如下研究工作:不考虑结构偏差的CCPTS动力学及能量分析。首先,在系绳为刚性杆的假设下对CCPTS的动力学进行了仿真分析;对载荷实现地月转移进行了速度需求分析,得到了满足载荷顺利入轨的两个必要条件(角速度条件和时间周期条件);对基于CCPTS和传统火箭的霍曼转移的地月载荷转移方式进行了能量对比分析。分析结果表明,无论传统火箭是采用单脉冲还是双脉冲方式,无论初始停泊轨道是圆轨道还是椭圆轨道,对于转移相同的载荷,CCPTS所需要的能量均低于传统火箭所需要的能量;此外,对系绳为柔性绳时的CCPTS二维、三维柔性动力学进行了仿真分析,结果表明,系绳旋转角速度大小以及系绳长度的不同对系绳横向、纵向以及侧向振动量均有不同程度的影响。考虑结构偏差的CCPTS动力学分析。CCPTS作为大尺寸航天器,操作的失误、客观的因素等都可能产生结构偏差。首先,对考虑系统结构偏差的CCPTS姿态-轨道进行了耦合分析,并对系绳长度存在偏差以及载荷质量存在偏差的情况下的CCPTS动力学特性进行的仿真分析,仿真结果表明,结构偏差的存在改变了CCPTS系统质心的位置,对母星质心轨道以及系绳姿态运动均产生了一定程度的影响;此外,对结构偏差存在的情况下,通过分析结构偏差对母星停泊轨道参数的影响间接分析了载荷的入轨精度;结合四元数,建立了基于开普勒-四元数的CCPTS结构偏差动力学模型,并进行了仿真分析,仿真结果验证了该方法的有效性。改进构型的CCPTS动力学建模与分析。锥形绳作为一种能够合理分配系绳内应力与质量的系绳,对于减轻CCPTS总质量并降低系统能量消耗至关重要。首先,通过引入误差函数,推导了锥形绳的质量;建立了基于锥形绳的CCPTS(Tapered-Tether-CCPTS简称为T-CCPTS)动力学模型;其次,对不同系绳构型以及不同系绳材料属性对CCPTS动力学的影响进行了仿真分析;最后,通过建立T-CCPTS能量方程,并进行了能量对比分析。分析结果表明,T-CCPTS的总能量小于基于等截面绳的CCPTS(Uniform-Tether-CCPTS,简称为U-CCPTS)的总能量,且T-CCPTS的稳定性优于U-CCPTS的稳定性。此外,为了提高CCPTS的安全性以及载荷转移效率,提出了一种“摩天轮”式的改进构型连续地月转移系统(HEX-CCPTS),并进行了转移效率及动力学仿真分析,仿真结果验证了该动力学模型的正确性以及该构型在安全性、转移效率等方面的优势。
【关键词】：动力学 地月转移 动量交换 结构偏差 锥形绳
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V412
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-13
• 第1章 绪论13-38
• 1.1 研究背景、目的和意义13-14
• 1.2 动量交换/电动绳系卫星系统(MXER)发展现状14-24
• 1.2.1 绳系卫星系统概述14-15
• 1.2.2 MXER系统构型概述15-18
• 1.2.3 电动绳发展现状18-24
• 1.3 主动式动量交换绳系卫星系统(MMET)发展现状24-35
• 1.3.1 MMET构型设计及载荷转移概述24-26
• 1.3.2 绳系卫星系统动力学与控制研究现状26-32
• 1.3.3 MMET动力学研究现状32-33
• 1.3.4 MMET控制策略研究现状33-34
• 1.3.5 MMET地月转移轨道研究现状34
• 1.3.6 MMET地面及在轨试验研究现状34-35
• 1.4 本文组织结构与主要研究内容35-38
• 第2章 连续地月载荷转移系统(CCPTS)动力学建模38-69
• 2.1 引言38
• 2.2 绳系卫星系统动力学模型的一般特征38-39
• 2.3 CCPTS二维动力学模型39-49
• 2.3.1 坐标系定义39-40
• 2.3.2 基于刚性杆的CCPTS二维动力学模型40-42
• 2.3.3 基于柔性绳的CCPTS二维动力学模型42-49
• 2.4 CCPTS三维动力学模型49-58
• 2.4.1 CCPTS三维刚性动力学模型49-54
• 2.4.2 CCPTS三维柔性动力学模型54-58
• 2.5 考虑结构偏差的CCPTS动力学模型58-67
• 2.5.1 CCPTS二维结构偏差动力学模型58-60
• 2.5.2 CCPTS三维结构偏差动力学模型60-62
• 2.5.3 基于开普勒-四元数的CCPTS偏差动力学模型62-67
• 2.6 本章小结67-69
• 第3章 不考虑结构偏差的CCPTS动力学及能量分析69-100
• 3.1 引言69
• 3.2 系绳在刚性杆假设下CCPTS动力学及能量分析69-82
• 3.2.1 系绳为刚性杆时CCPTS动力学分析69-75
• 3.2.2 载荷入轨速度需求分析75-77
• 3.2.3 能量对比分析77-82
• 3.3 考虑系绳柔性情况下CCPTS动力学分析82-99
• 3.3.1 考虑系绳柔性时CCPTS二维动力学分析83-94
• 3.3.2 考虑系绳柔性时CCPTS三维动力学分析94-99
• 3.4 本章小结99-100
• 第4章 考虑结构偏差的CCPTS动力学分析100-120
• 4.1 引言100
• 4.2 CCPTS二维结构偏差动力学分析100-108
• 4.2.1 系绳长度偏差对CCPTS动力学影响100-106
• 4.2.2 载荷质量偏差对CCPTS动力学影响106-108
• 4.3 CCPTS三维结构偏差动力学分析108-115
• 4.3.1 考虑结构偏差的CCPTS姿态-轨道耦合分析108-111
• 4.3.2 仿真分析111-114
• 4.3.3 载荷入轨精度分析114-115
• 4.4 基于开普勒-四元数的CCPTS结构偏差动力学分析115-119
• 4.5 本章小结119-120
• 第5章 改进构型的CCPTS动力学建模与分析120-151
• 5.1 引言120
• 5.2 基于锥形绳的CCPTS动力学及能量分析120-135
• 5.2.1 锥形绳质量120-123
• 5.2.2 T-CCPTS系统能量及Lagrange函数123-124
• 5.2.3 T-CCPTS动力学方程124
• 5.2.4 仿真分析124-135
• 5.3 HEX-CCPTS动力学建模与分析135-148
• 5.3.1 构型选择及转移效率135-139
• 5.3.2 HEX-CCPTS动力学模型139-141
• 5.3.3 HEX-CCPTS动力学仿真结果与分析141-148
• 5.4 不同构型CCPTS系统工程实现利弊分析148-149
• 5.5 本章小结149-151
• 结论151-153
• 参考文献153-164
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果164-166
• 致谢166-167
• 个人简历167

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本文编号：841174