【摘要】：系繩衛(wèi)星為當今空間科學領域研究的一大主流方向。系繩衛(wèi)星系統(tǒng)動力學建模和系繩展開與回收控制問題為現階段系繩式衛(wèi)星研究中存在的兩大難題。本文針對于系繩式衛(wèi)星展開和面內機動轉移過程進行了動力學建模與系繩穩(wěn)定控制方法研究,主要包含以下幾個方面:充分調研并分析總結現有解決方案中依舊存在的不足,充分了解當前繩索建模理論的最新研究成果以及現代控制理論在該領域的應用前景,明確系繩衛(wèi)星動力學建模方法及其收放控制算法研究的重要性和必要性;基于絕對節(jié)點坐標方法(ANCF)的梁單元基礎理論,推導出考慮繩索單元邊界具有質量流動情況下的可變長度柔索單元模型,結合衛(wèi)星剛體動力學模型,推導出能夠準確反映系繩的動力學行為特性的含變長度長系繩的系繩衛(wèi)星動力學模型;為研究系繩展開與回收過程的穩(wěn)定控制問題,給出系繩衛(wèi)星系統(tǒng)的“啞鈴模型”作為控制系統(tǒng)分析平臺,并對其進行無量綱化處理,得到系繩衛(wèi)星的歸一化模型;通過對系繩重力梯度下被動展開和穩(wěn)定過程仿真分析,研究了系繩衛(wèi)星系繩展開與穩(wěn)定過程的動力學行為特性。然后針對機動轉移過程中母星推力、兩星相對速度、子星相對姿態(tài)、系繩初始狀態(tài)等因素進行了動力學仿真,定性的給出了各因素對系繩穩(wěn)定性的影響結果;對系繩以勻速、加速、變加速展開過程進行仿真,分析三種基本展開方式下系繩穩(wěn)定狀態(tài);使用高斯偽譜法優(yōu)化設計滿足控制約束條件的系繩展開軌跡,并基于滑模控制理論實現對系繩最優(yōu)軌跡的跟蹤,得到能夠有效抑制系繩擺角的展開控制率;針對系繩衛(wèi)星面內機動轉移過程,首先根據時間-能量最省原則設計拖曳轉移軌道;然后考慮系繩衛(wèi)星控制系統(tǒng)僅有系繩張力單一控制量,基于分層滑�？刂扑枷朐O計包含欠驅動狀態(tài)量的控制率,使得系繩通過收放改變自身長度來控制狀態(tài)變量完全收斂;最后對系繩衛(wèi)星機動轉移過程進行仿真及驗證。
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：V448.2
【圖文】：

Tiesenhausen[6]、Carroll[7]等人對天梯系繩的探索與研究，系繩衛(wèi)星的概念逐成，提出并分析了一系列具有深入研究價值的空間應用，同時隨著能夠滿足太空任務需求的具有高強度、密度小、耐熱性、抗疲勞穩(wěn)定性好等特點的復料繩索的出現，系繩衛(wèi)星的研究受到了世界各地航天領域學者的極大關注和的大力發(fā)展，提出了通過對系繩的釋放與回收來改變空間衛(wèi)星系統(tǒng)的距離尺在子星空間部署、系繩衛(wèi)星交會對接、太空探測、對地測量、衛(wèi)星轉移離軌空垃圾清除、人造重力等方面具有巨大的應用前景[8, 9]。系繩衛(wèi)星系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)衛(wèi)星系統(tǒng)具備特殊的優(yōu)勢，根據實現原理可以分為兩類：動量交換系繩和電動力系繩[10]，如圖 1-1 和圖 1-2 所示。動量交繩基于動量交換原理進行工作，針對于兩個航天器位于不同的軌道高度，具度差而使得系繩張緊，進而在重力梯度場作用下達到穩(wěn)定狀態(tài)，可應用于創(chuàng)工重力場、航天器軌道機動、載荷運輸等[11]。相比于動量交換系繩，電動系大特點在于系繩可以導電，由于系繩中電流大小及方向可調節(jié)，因此電動系備更強的可控性與可操作性，可應用于構成大型空間結構、太空測量、電動進、碎片清除等任務[12]。

Tiesenhausen[6]、Carroll[7]等人對天梯系繩的探索與研究，系繩衛(wèi)星的概念逐成，提出并分析了一系列具有深入研究價值的空間應用，同時隨著能夠滿足太空任務需求的具有高強度、密度小、耐熱性、抗疲勞穩(wěn)定性好等特點的復料繩索的出現，系繩衛(wèi)星的研究受到了世界各地航天領域學者的極大關注和的大力發(fā)展，提出了通過對系繩的釋放與回收來改變空間衛(wèi)星系統(tǒng)的距離尺在子星空間部署、系繩衛(wèi)星交會對接、太空探測、對地測量、衛(wèi)星轉移離軌空垃圾清除、人造重力等方面具有巨大的應用前景[8, 9]。系繩衛(wèi)星系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)衛(wèi)星系統(tǒng)具備特殊的優(yōu)勢，根據實現原理可以分為兩類：動量交換系繩和電動力系繩[10]，如圖 1-1 和圖 1-2 所示。動量交繩基于動量交換原理進行工作，針對于兩個航天器位于不同的軌道高度，具度差而使得系繩張緊，進而在重力梯度場作用下達到穩(wěn)定狀態(tài)，可應用于創(chuàng)工重力場、航天器軌道機動、載荷運輸等[11]。相比于動量交換系繩，電動系大特點在于系繩可以導電，由于系繩中電流大小及方向可調節(jié)，因此電動系備更強的可控性與可操作性，可應用于構成大型空間結構、太空測量、電動進、碎片清除等任務[12]。

ATEx LEO 1998 6.05km 22m 美PICOSAT1.0/1.1 LEO 2000 30/30m 30/30m 美YES2 LEO 2007 31.7km 29km 俄、歐盟KUKAI LEO 2009 5m ~0m 日T-REX Suborbital 2010 300m 300m 日、美TEPCE LEO 2013 1km 未知 美KITE LEO 2015 700m 未知日本JAXA除上述已經完成的在軌實驗驗證項目外，目前各國正在進行多項空間系繩的究。例如，美國 Tether Unlimited 公司研制的小型電動系繩推進系統(tǒng) PET[19]，系統(tǒng)曾應用于美國 TUI 公司和斯坦福大學空間系統(tǒng)研究實驗室聯(lián)合開展的AST 任務[20]，如圖 1-3 所示。 PET系統(tǒng)無需推進劑即可為微小衛(wèi)星提供軌道升或降低、傾角以及姿態(tài)保持所需的推力，同時也可作為重力梯度姿態(tài)控制單使用。

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6 鞏思宇;系繩式衛(wèi)星系統(tǒng)展開控制方法研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2017年

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8 李強;空間繩系衛(wèi)星系統(tǒng)動力學建模及仿真研究[D];國防科學技術大學;2007年

9 王加成;短距繩系衛(wèi)星釋放和控制研究[D];南京航空航天大學;2014年

10 梁志超;繩系太陽能發(fā)電衛(wèi)星子系統(tǒng)動力學分析[D];大連理工大學;2017年

本文編號：2756230