本文關(guān)鍵詞：基于動量交換原理的連續(xù)地月載荷轉(zhuǎn)移系統(tǒng)動力學(xué)研究

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【摘要】：開發(fā)月球、建立月球基地,并以月球為跳板開發(fā)火星等更遠的天體成為目前及未來深空探測的主要目標。在地月載荷轉(zhuǎn)移期間,以火箭為發(fā)射工具的傳統(tǒng)運輸方式成本高、不可重復(fù)使用而受到制約,尋求一種低成本、可重復(fù)使用、能進行載荷的連續(xù)轉(zhuǎn)移的運輸方式十分必要。基于動量交換原理的繩系式連續(xù)地月載荷轉(zhuǎn)移系統(tǒng)(Continuous Cislunar Payload Transfer System,CCPTS)具有可重復(fù)使用、消耗能量小、能實現(xiàn)地月之間載荷連續(xù)轉(zhuǎn)移等優(yōu)點,具有一定的研究價值。本文在前人的研究基礎(chǔ)上,對CCPTS的動力學(xué)、基于錐形繩的動力學(xué)以及CCPTS的改進型的動力學(xué)進行了深入研究,并對載荷的入軌速度需求、入軌精度以及CCPTS的能量等進行了理論分析,主要開展了如下研究工作:不考慮結(jié)構(gòu)偏差的CCPTS動力學(xué)及能量分析。首先,在系繩為剛性桿的假設(shè)下對CCPTS的動力學(xué)進行了仿真分析;對載荷實現(xiàn)地月轉(zhuǎn)移進行了速度需求分析,得到了滿足載荷順利入軌的兩個必要條件(角速度條件和時間周期條件);對基于CCPTS和傳統(tǒng)火箭的霍曼轉(zhuǎn)移的地月載荷轉(zhuǎn)移方式進行了能量對比分析。分析結(jié)果表明,無論傳統(tǒng)火箭是采用單脈沖還是雙脈沖方式,無論初始停泊軌道是圓軌道還是橢圓軌道,對于轉(zhuǎn)移相同的載荷,CCPTS所需要的能量均低于傳統(tǒng)火箭所需要的能量;此外,對系繩為柔性繩時的CCPTS二維、三維柔性動力學(xué)進行了仿真分析,結(jié)果表明,系繩旋轉(zhuǎn)角速度大小以及系繩長度的不同對系繩橫向、縱向以及側(cè)向振動量均有不同程度的影響。考慮結(jié)構(gòu)偏差的CCPTS動力學(xué)分析。CCPTS作為大尺寸航天器,操作的失誤、客觀的因素等都可能產(chǎn)生結(jié)構(gòu)偏差。首先,對考慮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)偏差的CCPTS姿態(tài)-軌道進行了耦合分析,并對系繩長度存在偏差以及載荷質(zhì)量存在偏差的情況下的CCPTS動力學(xué)特性進行的仿真分析,仿真結(jié)果表明,結(jié)構(gòu)偏差的存在改變了CCPTS系統(tǒng)質(zhì)心的位置,對母星質(zhì)心軌道以及系繩姿態(tài)運動均產(chǎn)生了一定程度的影響;此外,對結(jié)構(gòu)偏差存在的情況下,通過分析結(jié)構(gòu)偏差對母星停泊軌道參數(shù)的影響間接分析了載荷的入軌精度;結(jié)合四元數(shù),建立了基于開普勒-四元數(shù)的CCPTS結(jié)構(gòu)偏差動力學(xué)模型,并進行了仿真分析,仿真結(jié)果驗證了該方法的有效性。改進構(gòu)型的CCPTS動力學(xué)建模與分析。錐形繩作為一種能夠合理分配系繩內(nèi)應(yīng)力與質(zhì)量的系繩,對于減輕CCPTS總質(zhì)量并降低系統(tǒng)能量消耗至關(guān)重要。首先,通過引入誤差函數(shù),推導(dǎo)了錐形繩的質(zhì)量;建立了基于錐形繩的CCPTS(Tapered-Tether-CCPTS簡稱為T-CCPTS)動力學(xué)模型;其次,對不同系繩構(gòu)型以及不同系繩材料屬性對CCPTS動力學(xué)的影響進行了仿真分析;最后,通過建立T-CCPTS能量方程,并進行了能量對比分析。分析結(jié)果表明,T-CCPTS的總能量小于基于等截面繩的CCPTS(Uniform-Tether-CCPTS,簡稱為U-CCPTS)的總能量,且T-CCPTS的穩(wěn)定性優(yōu)于U-CCPTS的穩(wěn)定性。此外,為了提高CCPTS的安全性以及載荷轉(zhuǎn)移效率,提出了一種“摩天輪”式的改進構(gòu)型連續(xù)地月轉(zhuǎn)移系統(tǒng)(HEX-CCPTS),并進行了轉(zhuǎn)移效率及動力學(xué)仿真分析,仿真結(jié)果驗證了該動力學(xué)模型的正確性以及該構(gòu)型在安全性、轉(zhuǎn)移效率等方面的優(yōu)勢。
【關(guān)鍵詞】：動力學(xué) 地月轉(zhuǎn)移 動量交換 結(jié)構(gòu)偏差 錐形繩
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：V412
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-13
• 第1章 緒論13-38
• 1.1 研究背景、目的和意義13-14
• 1.2 動量交換/電動繩系衛(wèi)星系統(tǒng)(MXER)發(fā)展現(xiàn)狀14-24
• 1.2.1 繩系衛(wèi)星系統(tǒng)概述14-15
• 1.2.2 MXER系統(tǒng)構(gòu)型概述15-18
• 1.2.3 電動繩發(fā)展現(xiàn)狀18-24
• 1.3 主動式動量交換繩系衛(wèi)星系統(tǒng)(MMET)發(fā)展現(xiàn)狀24-35
• 1.3.1 MMET構(gòu)型設(shè)計及載荷轉(zhuǎn)移概述24-26
• 1.3.2 繩系衛(wèi)星系統(tǒng)動力學(xué)與控制研究現(xiàn)狀26-32
• 1.3.3 MMET動力學(xué)研究現(xiàn)狀32-33
• 1.3.4 MMET控制策略研究現(xiàn)狀33-34
• 1.3.5 MMET地月轉(zhuǎn)移軌道研究現(xiàn)狀34
• 1.3.6 MMET地面及在軌試驗研究現(xiàn)狀34-35
• 1.4 本文組織結(jié)構(gòu)與主要研究內(nèi)容35-38
• 第2章 連續(xù)地月載荷轉(zhuǎn)移系統(tǒng)(CCPTS)動力學(xué)建模38-69
• 2.1 引言38
• 2.2 繩系衛(wèi)星系統(tǒng)動力學(xué)模型的一般特征38-39
• 2.3 CCPTS二維動力學(xué)模型39-49
• 2.3.1 坐標系定義39-40
• 2.3.2 基于剛性桿的CCPTS二維動力學(xué)模型40-42
• 2.3.3 基于柔性繩的CCPTS二維動力學(xué)模型42-49
• 2.4 CCPTS三維動力學(xué)模型49-58
• 2.4.1 CCPTS三維剛性動力學(xué)模型49-54
• 2.4.2 CCPTS三維柔性動力學(xué)模型54-58
• 2.5 考慮結(jié)構(gòu)偏差的CCPTS動力學(xué)模型58-67
• 2.5.1 CCPTS二維結(jié)構(gòu)偏差動力學(xué)模型58-60
• 2.5.2 CCPTS三維結(jié)構(gòu)偏差動力學(xué)模型60-62
• 2.5.3 基于開普勒-四元數(shù)的CCPTS偏差動力學(xué)模型62-67
• 2.6 本章小結(jié)67-69
• 第3章 不考慮結(jié)構(gòu)偏差的CCPTS動力學(xué)及能量分析69-100
• 3.1 引言69
• 3.2 系繩在剛性桿假設(shè)下CCPTS動力學(xué)及能量分析69-82
• 3.2.1 系繩為剛性桿時CCPTS動力學(xué)分析69-75
• 3.2.2 載荷入軌速度需求分析75-77
• 3.2.3 能量對比分析77-82
• 3.3 考慮系繩柔性情況下CCPTS動力學(xué)分析82-99
• 3.3.1 考慮系繩柔性時CCPTS二維動力學(xué)分析83-94
• 3.3.2 考慮系繩柔性時CCPTS三維動力學(xué)分析94-99
• 3.4 本章小結(jié)99-100
• 第4章 考慮結(jié)構(gòu)偏差的CCPTS動力學(xué)分析100-120
• 4.1 引言100
• 4.2 CCPTS二維結(jié)構(gòu)偏差動力學(xué)分析100-108
• 4.2.1 系繩長度偏差對CCPTS動力學(xué)影響100-106
• 4.2.2 載荷質(zhì)量偏差對CCPTS動力學(xué)影響106-108
• 4.3 CCPTS三維結(jié)構(gòu)偏差動力學(xué)分析108-115
• 4.3.1 考慮結(jié)構(gòu)偏差的CCPTS姿態(tài)-軌道耦合分析108-111
• 4.3.2 仿真分析111-114
• 4.3.3 載荷入軌精度分析114-115
• 4.4 基于開普勒-四元數(shù)的CCPTS結(jié)構(gòu)偏差動力學(xué)分析115-119
• 4.5 本章小結(jié)119-120
• 第5章 改進構(gòu)型的CCPTS動力學(xué)建模與分析120-151
• 5.1 引言120
• 5.2 基于錐形繩的CCPTS動力學(xué)及能量分析120-135
• 5.2.1 錐形繩質(zhì)量120-123
• 5.2.2 T-CCPTS系統(tǒng)能量及Lagrange函數(shù)123-124
• 5.2.3 T-CCPTS動力學(xué)方程124
• 5.2.4 仿真分析124-135
• 5.3 HEX-CCPTS動力學(xué)建模與分析135-148
• 5.3.1 構(gòu)型選擇及轉(zhuǎn)移效率135-139
• 5.3.2 HEX-CCPTS動力學(xué)模型139-141
• 5.3.3 HEX-CCPTS動力學(xué)仿真結(jié)果與分析141-148
• 5.4 不同構(gòu)型CCPTS系統(tǒng)工程實現(xiàn)利弊分析148-149
• 5.5 本章小結(jié)149-151
• 結(jié)論151-153
• 參考文獻153-164
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其它成果164-166
• 致謝166-167
• 個人簡歷167

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本文編號：841174