隨著人類對外太空的探索,地球同步軌道已經(jīng)被大量太空碎片占據(jù),這些碎片對在軌設(shè)備構(gòu)成了重大威脅,為了應(yīng)對此威脅,空間碎片主動(dòng)移除技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,尤其是大型空間碎片,其被捕獲移除的需求最為迫切。但大型空間碎片運(yùn)動(dòng)復(fù)雜,殘余動(dòng)能較大不易控制,難以直接捕獲。消旋技術(shù)可以消耗碎片的殘余動(dòng)能,減小移除過程中的沖擊,從而提高大型空間碎片的捕獲成功率。本文首先對面向大型空間碎片捕獲的消旋進(jìn)行了分析。本文中的空間碎片為某一類失效衛(wèi)星,對其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行分析,根據(jù)其動(dòng)能集中情況,將運(yùn)動(dòng)分為單軸運(yùn)動(dòng)和三軸運(yùn)動(dòng);與運(yùn)動(dòng)情況相對應(yīng)進(jìn)行消旋,分別對碎片進(jìn)行單軸消旋或三軸消旋,建立了對應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程;分析了消旋中的消旋力矩,選取了消旋力矩的形式,分析了預(yù)期消旋時(shí)間,并分析了三軸消旋中消旋力矩的空間布局。然后根據(jù)技術(shù)指標(biāo)完成了消旋機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)了三個(gè)耗能器串聯(lián)構(gòu)成的消旋機(jī)構(gòu);重點(diǎn)耗能器進(jìn)行設(shè)計(jì),耗能器中摩擦副作為工作部件,對摩擦副受力情況進(jìn)行分析,摩擦副受到預(yù)加力和作用力;在完成耗能器設(shè)計(jì)后,根據(jù)消旋力矩的空間布局確定耗能器位置關(guān)系,根據(jù)運(yùn)動(dòng)空間優(yōu)化耗能器空間位置參數(shù),在耗能器間添加連接件,并對連接件進(jìn)行強(qiáng)度校核。對消旋過程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真,分析消旋機(jī)構(gòu)對機(jī)械臂的反饋力。在Adams中搭建仿真平臺(tái),對不同初始角速度和受力情況下的碎片進(jìn)行消旋仿真,對摩擦副受力情況和目標(biāo)初始角速度與對機(jī)械臂反饋力的關(guān)系進(jìn)行分析,利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對此關(guān)系進(jìn)行擬合,根據(jù)機(jī)械臂可承受反饋力范圍,調(diào)節(jié)摩擦副受到預(yù)加力,保證對不同初始角速度下的目標(biāo),反饋力在可承受范圍內(nèi)。最后進(jìn)行了地面消旋實(shí)驗(yàn)。搭建了地面單軸實(shí)驗(yàn)平臺(tái),對摩擦副的動(dòng),靜摩擦特性進(jìn)行測試,對摩擦副受力與摩擦轉(zhuǎn)矩關(guān)系進(jìn)行擬合,并進(jìn)行論文單軸消旋實(shí)驗(yàn),并利用單軸消旋實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對三軸消旋仿真進(jìn)行修正。在目標(biāo)質(zhì)心坐標(biāo)系三軸上同時(shí)施加消旋力矩,能夠消除目標(biāo)殘余動(dòng)能;對于大型空間碎片,消旋機(jī)構(gòu)能夠減小捕獲過程中的反饋力,擴(kuò)大主動(dòng)移除目標(biāo)動(dòng)能范圍。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：V528
【部分圖文】：

是其中十分重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。面前國內(nèi)外消旋技術(shù)研究主要是通過力矩，消耗目標(biāo)殘余動(dòng)能，根據(jù)消旋機(jī)構(gòu)是否與目標(biāo)接觸，消旋技術(shù)式消旋和非接觸式消旋，下面對國內(nèi)外消旋技術(shù)進(jìn)行簡要介紹。在介，首先對主動(dòng)移除技術(shù)進(jìn)行簡述。非接觸式消旋研究現(xiàn)狀接觸式消旋中，消旋機(jī)構(gòu)不與目標(biāo)直接接觸，在消旋過程中可以與目全距離，與目標(biāo)發(fā)生碰撞的風(fēng)險(xiǎn)小，但非接觸式消旋機(jī)構(gòu)一般體積復(fù)雜。1） 離子束消旋德里理工大學(xué)的 Claudio Bombardelli 和 Jesus Peláez 設(shè)計(jì)了一套離子，通過向目標(biāo)發(fā)射等離子束，施加沖量改變目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在消旋過標(biāo)間可以保持 10-20m 的安全距離，在消旋過程中僅需靠近目標(biāo)，不位置控制，也不需保持伴飛或?qū)幼藨B(tài)。在此方案中，等離子束可以能，已經(jīng)可以達(dá)到 30 km/s[39]。此系統(tǒng)如圖 1-1 所示。

消旋力大小主要取決于兩者間相對距離，相對姿態(tài)和過程前需要對目標(biāo)的表面材質(zhì)和形狀進(jìn)行建模識(shí)別蹤，其氣體沖量的作用角度主要靠調(diào)整衛(wèi)星姿態(tài)保證高的要求，同時(shí)存在碰撞的危險(xiǎn)。力消旋大學(xué)的 Trevor Bennett 和 Hanspeter Schaub 提出了一種此方法中衛(wèi)星首先通過專用的電子發(fā)射裝置，向目標(biāo)勢改變，再通過靜電力對目標(biāo)施加消旋力矩，改變目標(biāo)先針對單軸旋轉(zhuǎn)目標(biāo)進(jìn)行了理論研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，利進(jìn)行了理論分析。其消旋力矩大小主要取決電勢差和關(guān)系主要包括距離和相對姿態(tài)。目標(biāo)的電勢情況，本方案中提出了一種 Multi-Sphere型，此模型中將目標(biāo)視為一多球體復(fù)合的集合，為有限基礎(chǔ)。如圖 1-2 所示，可以將以圓柱狀目標(biāo)如火箭末級勢計(jì)算。此方案中消旋力的大小主要與相對距離，電勢

a)吸盤型 b) 鉆頭型圖 1-3ASEM 裝置結(jié)構(gòu)示意圖[42]該裝置體積小重量輕，可以在航天器上一次攜帶大量此裝置，得益于此使用以在一個(gè)目標(biāo)上使用多個(gè)相互配合工作。同時(shí)由于 ASEM 裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，要對目標(biāo)進(jìn)行高精度的位置跟隨，在接近到一定范圍后，即可通過鉆頭或吸盤在目標(biāo)上，此時(shí)主動(dòng)移除系統(tǒng)即可對目標(biāo)進(jìn)行捕獲移除，對現(xiàn)有針對合作目標(biāo)的各種對接捕獲系統(tǒng)兼容性好。此外，還有一些使用激光，各類離子的非接觸式消旋方案，但僅停留在理論或概念層次，尚無相關(guān)仿真模擬或地面實(shí)驗(yàn)，在本文中不對其進(jìn)行過多討論.3.2 接觸式消旋研究現(xiàn)狀接觸式消旋出現(xiàn)較早，通常采用在機(jī)械臂末端搭載消旋工具的形式，通過末具對目標(biāo)施加消旋力。接觸式消旋中可以利用末端執(zhí)行器中的相關(guān)技術(shù)，其技備較為充足，下面依次對國內(nèi)外幾種典型接觸式消旋進(jìn)行簡析。（1） 減速刷消旋
【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前3條

1 張帆;黃攀峰;;空間繩系機(jī)器人抓捕非合作目標(biāo)的質(zhì)量特性參數(shù)辨識(shí)[J];宇航學(xué)報(bào);2015年06期

2 黃攀峰;張帆;徐秀棟;;考慮空間系繩釋放特性的空間繩系機(jī)器人協(xié)調(diào)耦合控制[J];控制與決策;2015年06期

3 金小龍;唐軼峻;隋成華;;空間碎片光譜特性獲取與分析方法研究[J];空間科學(xué)學(xué)報(bào);2014年01期

本文編號：2893204