电动力系绳离轨系统关键技术简析

空间碎片引起的恶劣空间环境迫使人们研究低成本、高效率的离轨技术。文章对低地球轨道空间碎片清除技术之一——电动力系绳离轨技术的研究进行综述,首先介绍电动力系绳离轨系统的国内外研究现状,然后描述系统的动力学与控制的研究内容,预测系统离轨时间,详述系统离轨装置设计内容,最后对电动力系绳离轨系统未来的发展以及重点、难点做出展望。     

火箭末级离轨系统中电动力绳系释放条件分析与控制设计

绳系释放过程是电动力绳系火箭末级离轨技术的关键,开展了绳系释放条件分析及控制方案设计。首先,基于"珠式"思想,建立离轨系统绳系释放过程的刚-柔耦合动力学模型。随后,基于数值仿真开展绳系释放条件分析。仿真结果分析发现,释放时火箭末级初始姿态对绳系释放稳定性影响较大,仅靠绳系拉力控制,系统稳定裕度较小,很难保证绳系释放稳定性。据此,进一步提出了一种绳系稳定释放控制方案,并通过数值仿真验证了控制方案的有效性。     

接触电阻对电动力缆绳离轨特性的影响

使用电动力缆绳系统离轨卫星的关键之一是缆绳系统与空间等离子体之间的相互作用,因此,有必要研究电动力缆绳系统与空间等离子体之间的接触电阻对电动力缆绳离轨特性的影响。首先针对一类电动力缆绳离轨系统分析了回路中的电阻类型,然后利用TSS-1R卫星的电流-电压关系建立了电动力缆绳离轨系统末端球形收集器与空间等离子体之间的接触电阻的计算公式,并在十三阶精确地磁场模型和国际参考电离层1990模型下,利用轨道六要素法分析了该接触电阻对卫星离轨时间、轨道高度和轨道半长轴的影响。分析和仿真结果表明对于所给电动力缆绳离轨系统和参数,接触电阻对电动力缆绳离轨特性的影响是很大的。     

考虑太阳帆板振动的空间绳系拖曳动力学与控制

针对使用空间绳网捕获带有太阳帆板等柔性附件的大型失效航天器的碎片清除任务,充分考虑了拖曳过程中柔性附件产生的振动对系统的稳定造成的影响。首先采用凯恩方法建立了失效航天器绳系拖曳系统动力学模型,在建模过程中充分考虑系绳的质量和振动、帆板的振动、系统的轨道运动对姿态的影响等,使动力学模型更加详细和完整,且该动力学模型不受失效航天器所处位置的限制,适用于任意轨道上的失效航天器的拖曳离轨任务;之后根据平衡状态的特点,求取了系统的平衡解,并在平衡解附近对动力学方程线性化,然后采用李雅普诺夫方法分析了系统的稳定性及各参数的变化规律;并针对失效航天器可能产生的姿态章动设计了常值张力切换控制律;最后采用数值仿真的方法分析了失效航天器的帆板振动对绳系拖曳过程的影响,校验了控制律的有效性。     

电动系绳离轨装置的设计与分析

电动系绳离轨效果显著,无需消耗推进剂,是处理LEO(低地球轨道)废弃航天器的有效手段。文章介绍了利用电动系绳进行离轨的原理,提出了电动系绳离轨装置所需的硬件及其设计要求;给出了电动系绳离轨装置的控制策略和工作过程,并利用系绳运动方程对电动系绳离轨的效能进行了分析。结果显示,利用电动系绳可以大大减小离轨的面积时间积。     

电动力缆绳的横向振动建模研究

针对基于电动力缆绳离轨的卫星系统,通过分析电动力缆绳的受力和运动方式,利用微元法建立了电动力缆绳横向振动的偏微分方程和边界条件,使用有限元法和拉格朗日方程建立了离散化的电动力缆绳横向振动方程,并采用轨道六要素法和四阶Runge-Kutla法进行了仿真分析.仿真结果表明电动力缆绳既有大振幅的低频振动也有小振幅的高频振动;电动力缆绳的横向振动随末端球体质量的增加而减弱.趋向于两端固定的情形.     

系统参数对电动力绳系动力学的影响

将电动力绳系(EDT)的主星质量、子星质量、绳系质量以及绳系中的电流视为系统参数，研究这些参数对系统的摆动动力学和轨道动力学的影响。哑铃模型下的电动力绳系摆动动力学方程存在不稳定的周期解，通过Floquet理论来衡量周期解的不稳定程度，从而研究各系统参数对摆动动力学的影响。建立了用春分点轨道元素的形式描述的电动力绳系轨道动力学方程，并以降轨时间来衡量电动力绳系的降轨效率，从而研究系统参数对轨道动力学的影响。运用算例对周期解迁移矩阵的特征值、降轨时间随各系统参数的变化关系进行了仿真，分别得出了各系统参数对系统摆动动力学和轨道动力学的影响。综合本文的仿真结果，并考虑实际发射及空间运行中的其它因素，对电动力绳系的设计和降轨策略提出了建议。     

空间绳系研究综述

空间绳系根据原理主要分为两类:动量交换绳系和电动力绳系。文章详细介绍了两者的基本原理、动力学模型和控制策略,描述了空间绳系技术实验项目的研究情况以及绳系结构设计和生存能力问题,对空间绳系的研究热点以及发展趋势进行了预测,同时列举了大量关于空间绳系技术的参考文献。研究表明:动量交换绳系和电动力绳系都可以实现无推进剂推进,提供各种离轨和再入功能,具有广阔的应用前景。     

电动力绳系研究进展

介绍了电动力绳系的主要构造及工作原理,回顾了国内外关于电动力绳系的研究历程,并总结了相关在轨试验进展情况。从绳系模型、轨道动力学以及绳系展开动力学与控制等几个方面对电动力绳系进行了分析,最后对电动力绳系技术未来的发展和应用做了展望。     

升力式飞行器最短返回时间离轨点设计方法

针对升力式飞行器升阻比较大、横向再入机动能力较强的特点，提出了一种综合考虑着陆场位置、返回时间和离轨燃耗约束的最短时间离轨点设计方法。首先，在飞行器运行轨道和着陆场位置给定的条件下，求解了着陆点与星下点轨迹的最小横向距离，并考虑位置及时间约束，根据再入可达域参数确定了再入航程角和再入时间范围。其次，考虑离轨燃耗约束，推导了再入角给定时离轨航程角和离轨时间的解析计算方法，采用牛顿迭代法求解二者取值范围。最后，依据离轨段及再入段航程角范围确定了离轨窗口，用非线性优化方法求解了返回时间最短的离轨点位置。数值仿真表明，所提方法能实现多约束下的飞行器最短返回时间离轨轨道计算，具有较好的适应性，可为航天器离轨方案设计提供参考。     

天基激光清除空间碎片方案与可行性研究

介绍了激光烧蚀驱动机理和空间碎片降轨清除原理,通过分析计算确立了空间碎片降轨清除判据和2 种降轨清除模式。理论计算给出了清除1200、800 和500 km 三个典型低地球轨道上空间碎片所必须的速度增量、激光器功率、单脉冲能量、激光发射镜直径等主要参数值。对比分析显示现有的硬件指标和条件能够满足清除低地球轨道上空间碎片的设计要求,因此,天基激光清除空间碎片方案从技术角度是可行的。     

低地球轨道航天器涂层防护技术研究进展

低地球轨道(LEO)环境极为复杂,紫外辐照、原子氧辐照、高能粒子辐照等因素并存,对航天器用有机材料提出苛刻要求。为满足长寿命安全飞行,必须对航天器特别是其上采用的有机材料进行防护。文章简述了LEO环境中各因素对航天器的影响,总结了航天器防护技术特别是涂层防护方案的研究进展,并指出了未来发展方向。     

空间原子氧环境对太阳电池阵的影响分析

空间原子氧是危害低地球轨道（LEO）航天器在轨性能的最主要空间环境因素之一,其强氧化性能够对包括太阳电池阵在内的航天器外表面暴露材料和组件造成危害。文章分析了某载人航天器在轨原子氧环境、原子氧对不同结构太阳电池阵所用材料的影响以及对太阳电池阵组件电性能的影响,结果表明原子氧对材料的作用能够引起太阳电池阵基板强度降低、电连接可靠性下降及电缆线护套失效等风险,材料的损伤会导致太阳电池组件电性能的下降。鉴于以上结果,作者建议在今后LEO长寿命航天器太阳电池阵研制中,应对原子氧环境条件进行详细设计;同时开展组件级试验,以对电池阵原子氧防护设计的有效性进行验证。     

Stability and control of electrodynamic tethers for de-orbiting applications

Electrodynamic tethers provide a very promising propulsion system for de-orbiting of spent upper stages or LEO satellites. In this application, the Lorentz force generated by the interaction between the current in the wire and the geomagnetic field produces an electrodynamic drag leading to a fast orbital decay. The attractiveness of tether system lies especially in their capability to operate with uncontrollable satellites and in the modest mass requirement.The need for significant along-track forces leads however to the onset of an undesirable torque which, if not controlled, may drive the system into a dangerous instability. The electrodynamic torque determines in-plane and out-of-plane librations whose amplitude depends upon the current in the wire, mass distribution and system dimensions. Even more important, this torque is modulated along the orbit due to the changing magnetic field and ionospheric plasma density, giving rise to forced oscillations. The counteracting (and stabilizing) gravity-gradient torque is generally to small to ensure stability in typical, strongly non-symmetrical mass distributions, where a massive satellite or upper stage is attached at the lower end and a light electron collecting device (or passive ballast mass) is deployed a few kilometers above. Reducing the electron current or increasing the mass at the upper end are both unattractive solutions.In this paper we show how the electrodynamic torque pumps energy into the system (finally leading to large librations angles) and indicate that many proposed configurations are intrinsically unstable. Our results point out the need for a control strategy. Fortunately, the librations amplitudes can be limited by acting on the current flowing in the wire. Our model of a rigid, conductive tether shows that a control based upon timely current switch-off, using energy criteria, is indeed effective and simple to implement. The resultant duty-cycles are satisfactory and affect only marginally the de-orbiting times.     

低轨航天器磁推进方法

基于地球空间磁场的磁作用效应,提出了一类低轨航天器无工质消耗的磁推进方法,并对航天器的高度保持进行了研究。该方法具有作用机理明晰、物理结构简单、控制策略灵活等特征。以磁场对磁体作用的磁矩理论为基础,建立了带磁航天器飞行的磁推力模型,提出了基于磁力线追踪策略的轨道高度保持方法。利用熟知的IGRF11地磁模型,通过数值仿真计算,验证了磁推进方法对于600～1000km圆轨道航天器进行高度保持的有效性。     

基于对偶四元数的航天器交会对接位姿视觉测量算法

根据光学测量基本原理建立双目视觉测量模型,提出基于双目视觉的航天器间相对位姿 的测量方法。利用对偶四元数,建立目标航天器的坐标系和追踪航天器上的摄像机坐标 系之间的关系,构造出航天器交会对接位姿误差模型,通过使用拉格朗日求极值的方法,解 算出航天器间的相对位置和姿态。仿真结果表明该算法有效,能够满足航天器交会对接的测 控要求。     

表面缺陷对原子氧掏蚀效应影响的数值模拟研究

Kapton作为基底的热控涂层被广泛应用于航天器的外表层设计中,表面保护层中缺陷处所发生的掏蚀效应是近地轨道空间飞行时原子氧对此类热控材料作用的一种主要方式.文章通过蒙特卡洛方法研究了这些尺寸参数与原子氧效应之间的关系.结果表明,保护层缺陷的宽度直接影响进入缺陷内的原子氧的数量,空腔的"颈部"宽度与空腔最大宽度之比随着缺陷宽度增加,掏蚀深度的增加速度则随着缺陷的加宽而变小;保护层厚度主要对初次入射原子氧的入射过程有影响,加厚保护层可以减小原子氧的掏蚀深度和掏蚀空腔的宽度.这些结果可为原子氧防护层的设计提供参考依据.     

Benefits and risks of using electrodynamic tethers to de-orbit spacecraft

By using electrodynamic drag to greatly increase the orbital decay rate, an electrodynamic space tether can remove spent or dysfunctional spacecraft from low Earth orbit (LEO) rapidly and safely. Moreover, the low mass requirements of such tether devices make them highly advantageous compared to conventional rocket-based de-orbit systems. However, a tether system is much more vulnerable to space debris impacts than a typical spacecraft and its design must be proved to be safe up to a certain confidence level before being adopted for potential applications. To assess space debris related concerns, in March 2001 a new task (Action Item 19.1) on the “Potential Benefits and Risks of Using Electrodynamic Tethers for End-of-life De-orbit of LEO Spacecraft” was defined by the Inter-Agency Space Debris Coordination Committee (IADC). Two tests were proposed to compute the fatal impact rate of meteoroids and orbital debris on space tethers in circular orbits, at different altitudes and inclinations, as a function of the tether diameter to assess the survival probability of an electrodynamic tether system during typical de-orbiting missions. IADC members from three agencies, the Italian Space Agency (ASI), the Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) and the US National Aeronautics and Space Administration (NASA), participated in the study and different computational approaches were specifically developed within the framework of the IADC task. This paper summarizes the content of the IADC AI 19.1 Final Report. In particular, it introduces the potential benefits and risks of using tethers in space, it describes the assumptions made in the study plan, it compares and discusses the results obtained by ASI, JAXA and NASA for the two tests proposed. Some general conclusions and recommendations are finally extrapolated from this massive and intensive piece of research.     

Attitude control schemes for the first recovery mission of India

This paper describes the attitude control schemes for the various phases such as acquisition, on-orbit, orbit maneuver, de-boost maneuvers and coast phases of the India's first recovery mission Space Capsule Recovery Experiment-I (SRE-1). During the on-orbit phase, the SRE was configured to point the negative roll axis to Sun. The attitude referencing of SRE-1 was based on dry tuned gyros with updates from the attitude determined using on-board Sun sensors and magnetometer. For attitude acquisition, attitude maneuvers and for providing the velocity corrections for de-orbiting operations; a set of eight thrusters grouped in functionally redundant blocks were used. The control scheme with thrusters was based on proportional derivative controller with a modulator. In order to ensure micro-gravity environment during the on-orbit payload operations a linear quadratic regulator (LQR) based control scheme was designed to drive an orthogonal configuration of magnetic torquers which in turn produced three-axis control torque with the interaction of Earth's magnetic field. Proportional derivative control scheme with modulator was designed to track the steering commands during the velocity reduction as well as during the coasting phase of the de-orbiting operations. A novel thruster failure detection, isolation and reconfiguration scheme implemented on-board for the de-orbiting phase is also discussed in this paper.