空間繩網(wǎng)展開及復(fù)合體離軌動力學(xué)與控制.pdf

1、空間碎片主動清除，尤其是地球靜止軌道（GEostationary Orbit, GEO）廢棄衛(wèi)星清理已成為航天界關(guān)注的熱點(diǎn)問題?？臻g繩網(wǎng)系統(tǒng)以其在非合作目標(biāo)捕獲、遠(yuǎn)距離捕獲等方面的突出優(yōu)勢，為空間碎片離軌操作提供了一種新的解決思路，也為未來在軌服務(wù)和空間攻防對抗提供了一種有效手段。論文針對空間繩網(wǎng)捕獲與離軌問題，重點(diǎn)研究無旋和旋轉(zhuǎn)兩種空間柔性繩網(wǎng)的展開動力學(xué)特性、參數(shù)優(yōu)化與控制策略，以及捕獲后繩系復(fù)合體的剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)與離軌控制。

2、>　?。?）空間無旋繩網(wǎng)展開動力學(xué)。針對地面環(huán)境和太空環(huán)境下的不同受力特性，推導(dǎo)了無旋繩網(wǎng)系統(tǒng)集中質(zhì)量模型，并通過地面試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真模型的可信度。無旋繩網(wǎng)展開的仿真中發(fā)現(xiàn)，展開面積先增大后減小，系統(tǒng)總機(jī)械能始終呈下降趨勢，系統(tǒng)彈性勢能的量級很小，各繩段單元一直在經(jīng)歷“張緊—松弛”的狀態(tài)變化。軌道高度和捕獲方向不會影響展開面積與飛行距離的變化，但是會產(chǎn)生不同的橫向偏移，但由于繩網(wǎng)尺寸的冗余性設(shè)計，使得繩網(wǎng)捕獲依然有效。
　?。?）空

3、間無旋繩網(wǎng)展開參數(shù)分析與優(yōu)化設(shè)計。基于正交試驗(yàn)設(shè)計對空間無旋繩網(wǎng)進(jìn)行了系統(tǒng)參數(shù)靈敏度分析，確定了各設(shè)計參數(shù)的主次順序和顯著程度，剔除了低靈敏度的參數(shù)，將設(shè)計參數(shù)精簡為發(fā)射速率和發(fā)射張角，性能指標(biāo)精簡為最大展開時間和最大展開距離。分別利用QPRS（Quadratic Polynomial Response Surface）方法和Kriging方法建立了空間無旋繩網(wǎng)展開的代理模型，并通過精度評估選擇了Kriging代理模型?；贙rigin

4、g代理模型，采用NSGA-Ⅱ（Non-dominated Sorting Genetic AlgorithmⅡ）算法對繩網(wǎng)展開性能的多目標(biāo)優(yōu)化問題進(jìn)行了求解，獲得了多個Pareto最優(yōu)解。
　?。?）空間旋轉(zhuǎn)繩網(wǎng)展開動力學(xué)與控制。旋轉(zhuǎn)繩網(wǎng)系統(tǒng)的展開過程分為網(wǎng)臂展開和繩網(wǎng)展開兩個階段，根據(jù)兩個階段各自不同的特點(diǎn)分別建立了系統(tǒng)動力學(xué)模型，并基于無控旋轉(zhuǎn)展開過程中的動能和動量矩守恒原理，驗(yàn)證了動力學(xué)模型的正確性。仿真對比了多種力矩控制策

5、略，并根據(jù)避免繩網(wǎng)反向纏繞和能量消耗較少等原則，確定了采用MK（Melnikov-Koshelev）控制律。MK控制下的旋轉(zhuǎn)繩網(wǎng)展開過程的仿真中發(fā)現(xiàn)，在離心力和阻尼效應(yīng)的作用下，旋轉(zhuǎn)繩網(wǎng)最終能形成穩(wěn)定構(gòu)型；而且穩(wěn)定后的旋轉(zhuǎn)繩網(wǎng)系統(tǒng)對面內(nèi)擾動有較強(qiáng)的抗干擾能力。為了消除旋轉(zhuǎn)繩網(wǎng)系統(tǒng)長時間在軌飛行所產(chǎn)生的捕獲偏差，可以在繩網(wǎng)發(fā)射時適當(dāng)調(diào)整發(fā)射方向，以抵消軌道動力學(xué)的影響。
　?。?）繩系復(fù)合體離軌動力學(xué)分析。針對繩網(wǎng)捕獲后的繩系復(fù)合體

6、，將拖船與目標(biāo)視為剛體，繩網(wǎng)等效為多條柔性吊帶，建立了多點(diǎn)吊掛雙剛體模型，并推導(dǎo)了包含系統(tǒng)質(zhì)心軌道運(yùn)動、兩體相對運(yùn)動、航天器姿態(tài)運(yùn)動以及拖船質(zhì)量變化的系統(tǒng)動力學(xué)方程。在系繩和吊帶的張力計算中考慮了質(zhì)點(diǎn)法和平衡點(diǎn)法，考慮到計算效率最終選用了平衡點(diǎn)法。在不考慮主動控制，只施加周向常值推力的前提下，研究了繩系復(fù)合體在各種初始狀態(tài)下的系統(tǒng)穩(wěn)定性，仿真表明初始狀態(tài)偏離參考狀態(tài)時，系統(tǒng)存在較大的擾動。對系統(tǒng)初始時刻處于參考狀態(tài)的情形，分析了不同推力

7、大小對燃料消耗和離軌時間的影響規(guī)律，仿真表明存在推力大小的最佳值。
　　（5）繩系復(fù)合體離軌控制。將繩系復(fù)合體離軌控制設(shè)計為消旋、轉(zhuǎn)向和拖曳三個階段，并基于PD反饋和LQR（Linear Quadratic Regulator）等控制方法，針對各個階段依次開展了控制律設(shè)計與仿真的研究。其中，目標(biāo)消旋控制的關(guān)鍵在于保證系繩張力的方向位于目標(biāo)旋轉(zhuǎn)面，通過對系繩張力的主動控制來衰減目標(biāo)的旋轉(zhuǎn)；繩系復(fù)合體的轉(zhuǎn)向控制采用先規(guī)劃期望轉(zhuǎn)向軌跡，

8、然后跟蹤控制的方法；繩系復(fù)合體的拖曳控制中，不僅要實(shí)現(xiàn)將系統(tǒng)安全轉(zhuǎn)移至墳?zāi)管壍赖哪繕?biāo)，而且在拖曳過程中要保持系統(tǒng)穩(wěn)定。通過仿真驗(yàn)證了各個階段的控制律的有效性，實(shí)現(xiàn)了將繩系復(fù)合體安全轉(zhuǎn)移至墳?zāi)管壍赖娜蝿?wù)。
　　總之，論文對空間繩網(wǎng)捕獲與離軌任務(wù)中涉及到的無旋繩網(wǎng)系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)繩網(wǎng)系統(tǒng)和繩系復(fù)合體這三個研究對象開展了動力學(xué)與控制等方面的研究，建立了空間繩網(wǎng)捕獲與離軌任務(wù)分析框架，為下一步深入理論研究、地面試驗(yàn)及在軌試驗(yàn)提供了重要的方法、模