一种用于空间系绳卷取的自适应机构

针对空间绳网系统的缆绳收口要求,介绍了一种由双转子电机、双卷筒和自由导绳套筒组成的自适应缆绳卷取机构,给出了机构的设计思路。通过建立其系统动力学方程,据此得到系统各状态变量的稳态解,理论和实验分析缆绳卷取过程的特性,证实此卷取机构的有效性和一定的适应性,为类似空间绳系的卷取机构设计提供参考。     

采用超声波电机的空间飞网自适应收口机构设计

介绍了一种采用超声波电机作为驱动源的空间飞网自适应收口机构（质量块）的设计及实现方法。通过分析捕获过程中质量块运动情况,研究超声波电机电流与负载的关系,确定以加速度信号和电流信号作为电机启动和停止的触发信号,在此基础上设计并实现了质量块的驱动控制系统。通过在电机输出轴与卷筒间加入差动轮系构成双卷筒机构,力学分析证实了该机构在负载不均衡情况下的自适应性。分析证明该机构使飞网的捕获操作对捕获平台的精度要求降低,有容错能力。同时使收口机构在部分质量块故障时也能完成捕获任务。     

空间飞网质量块动力学分析及收口机构优化设计

 研究空间飞网收口机构在捕获过程中产生翻滚缠绕的原因及质量块优化设计的方法。通过在质量块连体坐标中对其所受空间力系进行简化,分析质量块产生翻滚的原因,并据此对质量块与捕获网的连接进行优化设计。建立了超声波电机启动后质量块各转动部分的动力学方程,分析了其对产生缠绕的影响。并据此对原质量块的结构进行改进和优化设计。实验证明经优化设计的新结构改善了收口机构翻滚缠绕问题。     

空间柔性绳网多碎片捕获动力学研究

随着空间碎片数量的增加，其对近地轨道中的在轨卫星产生越来越严重的威胁，空间多碎片的高效清理在近年来也成为了学界关注的热点问题。针对柔性绳网在一次任务中同时对多个碎片进行捕获清理的问题，建立了柔性绳网的动力学模型和与碎片接触动力学模型，并对捕获过程中柔性绳网与碎片的运动进行了仿真模拟。针对绳网的最大拉伸力、质量块位移速度等变量，深入分析捕获过程中绳网与碎片的运动特性。数值仿真结果表明，在一次任务中，柔性绳网可以对多个旋转空间碎片进行捕获，并实现稳定的包裹缠绕，展示了柔性绳网良好的捕获能力。     

空间绳网系统发射动力学问题研究

空间绳网系统是在系绳技术基础上发展起来的一种应用系统,通过展开形成一张具有稳定构型的网,可用于空间目标的柔性容错捕获,在空间废弃卫星或碎片处理方面具有潜在应用价值。空间绳网系统动力学问题较为复杂,融合了刚体动力学、柔性绳索动力学和碰撞与摩擦动力学等方法和模型。通过建立空间绳网系统刚柔耦合动力学模型,研究了其发射展开的动力学问题,重点讨论了绳网牵引质量块发射角度和柔性绳索等效阻尼的影响,仿真结果表明在一定的系统配置下这两个参数存在最优值。
     

自主机动空间绳网机器人设计与动力学建模

设计了一种新型“平台+绳系+柔性网+自主机动单元”结构的空间机器人系统,较强的机动能力和较大的任务范围使其在空间垃圾清理任务中具有显著的优势。详细描述了自主机动空间绳网机器人的概念、任务过程和特点。为了分析自主机动空间绳网机器人逼近目标过程开始时柔性网网型的变化趋势,采用质量集中法建立了逼近过程的动力学模型,模型中将柔性网离散化为无质量弹性杆和质点的集合,同时考虑了自主控制力的作用。在不同条件下对逼近过程中的网型变化进行了数字仿真,仿真结果表明：逼近过程开始时,自主机动单元无控状态下柔性网将产生收口运动,且收口运动的强弱与自主机动单元和柔性网的初速有关;逼近轨迹也将偏离目标方向。通过自主机动单元的自主控制力能够避免收口运动和逼近方向偏移的产生。     

降落伞收口绳载荷计算方法研究

在降落伞系统设计中,考虑到结构强度、质量和开伞过载限制等因素,需要对降落伞开伞载荷进行控制,收口设计是控制降落伞开伞载荷的有效方法。群伞系统通常采用多级收口设计以有效控制多个降落伞充气过程的同步性和开伞载荷的一致性。收口装置是降落伞的关键部件之一,其任何部分失效不仅会造成降落伞系统性能降低,并且有可能导致系统产生灾难性的故障。收口绳是收口装置的主要承力部件,由于降落伞充气展开过程十分复杂,精确计算收口绳的载荷较为困难,空投试验中也无法直接进行载荷测量。文章通过分析研究基本的理论方法,结合相关试验数据,提出了一种保守估计收口绳载荷的计算方法,并且给出了有效、实用的收口装置设计原则和建议。实际空投试验结果和数据表明:该方法是合理可行的,可以为降落伞收口环节设计提供依据和参考。     

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。     

基于定力撕裂带的绳网网型控制研究

针对柔性绳网空间碎片主动清除技术中的绳网回弹问题，提出一种基于“定力撕裂带”的网型控制方法，在绳网边线绳上加装定力撕裂带以抑制绳网的回弹运动。将绳网离散化后，建立描述绳网运动的集中质量模型，然后结合定力撕裂带的力学特性，运用虚功率原理推导了系统动力学方程。通过仿真计算，本文对比分析了加装和不加装定力撕裂带两种模式，以及不同撕裂力强度的绳网运动特性。仿真结果表明，该控制方法能够有效地提升绳网的有效工作时间和有效工作距离，可应用于未来的空间柔性捕获任务。     

绳系拖曳离轨模型及脉冲喷气控制策略的可行性

在空间绳网的绳系组合体拖曳变轨运动控制中,系绳张力控制策略需要有一套卷扬机构及张力检测控制装置,将增加机构的质量、复杂度和成本,并降低操作可靠性。提出仅利用拖船飞行器上的三轴正交喷嘴控制策略,可同时实现拖曳离轨中的相对运动控制和系统质心的轨道控制,而系绳张力只作为约束,推导了组合体拖曳离轨的三维空间运动动力学模型,给出了一种准霍曼拖曳离轨控制方法,完成了同步轨道废弃目标拖曳离轨方案的初步可行性仿真验证,并给出了拖曳过程的喷气力、燃料消耗量指标,可供空间绳网研究参考。     

空间非合作目标物柔性捕获技术进展

分类探讨了近年来出现的多种空间柔性捕获技术的原理及性能特点，给出了一些具有代表性的案例，结果表明：空间绳系捕获技术在理论及试验研究方面都相对成熟，是未来行之有效、可工程实现的柔性捕获方式之一。重点针对空间非合作目标物捕获中容易出现的翻滚问题，对比分析现有的几种常用的接触式消旋方法，分析表明能同时实现捕获+消旋的一步式消旋法更具有应用前景。以空间绳系捕获技术作为空间柔性捕获的代表，对其捕获后的空间绳系组合体动力学模型建立过程中的系绳模型进行了综述，指出了各种系绳模型的优缺点及适用条件。对系绳控制机构进行了分类综述，给出了设计系绳控制机构需重点关注的问题。最后对空间绳系捕获技术的发展方向做了展望。     

柔性绳网动力学建模与天地差异性分析

采用有限元模型研究了柔性绳网系统的动力学特性。针对空间绳网直接弹射展开方式,首先将绳网离散为若干单元,各单元处理为非线性“半阻尼弹簧”模型,然后分别计算各单元所受气动力和重力,最终建立绳网系统多柔体动力学模型。基于所建立的动力学模型分别对柔性绳网在地面和太空展开的动力学过程进行了仿真分析,研究了绳网在展开面积、空间位形和飞行距离等方面的天地差异性及其动力学机理,为未来空间绳网系统的分析设计提供理论参考。     

空间绳网捕获性能及误差影响分析

针对空间绳网的抓捕过程,确定了抓捕成功的评价标准,研究了多种非理想因素对绳网抓捕过程的影响。使用弹簧质点法建立了绳网的动力学模型,并建立了计入摩擦力的绳网碰撞动力学模型。以绳网边长为度量确定了抓捕目标的理论极限包络。提出了理想工况和非理想工况下界定绳网抓捕成功的判据,并重点研究了发射速度误差、发射同步性和抽出阻力差异对绳网抓捕性能的影响。结果表明:以展开率80%作为抓捕成功的界定标准过于严格,空间绳网具有较高的抓捕容错能力。     

空间绳网捕获动力学仿真

空间绳网捕获系统是一种很有前景的空间碎片清除方法。然而，绳网的部署与捕获过程非常复杂，截至目前仍存在少量关键问题有待解决。对绳网捕获过程的研究是为了得到更合理的初始释放条件，以便绳网在接触目标后能成功包裹目标。利用有限元法将绳网进行离散，建立弹簧质点模型，并通过有限元软件进行仿真。同时提出了与仿真相关的3个接触参数，通过对不同捕获模型接触参数的横向对比找出绳网系统在展开及捕获过程中接触行为的区别。仿真结果表明，采用方形绳网系统对于正方体与弧形薄壁体目标捕获效果相对较好，对球形目标的捕获效果相对较差。针对不同捕获物体，绳网中最大应力出现的位置也不同，但最大应力都是集中出现在绳网与捕获目标棱角接触处与牵引球连接处。该仿真结果对最优绳网初始释放条件与编织形式的选取具有指导意义。     

空间碎片捕获过程动力学建模综述

文章分析了绳系捕获系统建模及精细化、捕获系统低阶鲁棒控制器和捕获过程半物理仿真的研究现状,并提出了有关空间碎片捕获过程动力学建模及仿真验证领域待解决的一些基本问题,为研制空间碎片回收系统奠定了理论基础。     

空间碎片绳网捕获拖曳恒张力控制

针对空间绳网系统捕获空间碎片后，在轨道转移过程中的精确控制问题，提出一种使用常值拉力将空间碎片拖曳至坟墓轨道的方法。首先，采用牛顿欧拉法建立绳系组合体动力学模型；其次，通过李雅普诺夫方法证明仅使用恒张力即可实现拖曳过程的稳定控制；再次，提出采用常值拉力切换控制律抑制空间碎片的姿态章动，采用基于相平面控制原理的控制律抑制绳系组合体面内面外摆动，规避在轨道转移过程中系绳松弛造成缠绕、系绳张力过大造成断裂或两星接近发生碰撞等风险。最后，通过拖曳离轨全过程仿真分析，校验了所提出控制方法的有效性。     

空间抓捕系统绳网的设计与研制

概述了空间碎片主动清除方式——空间绳网抓捕的优点,梳理了研制空间绳网要解决的难题,结合工程样机研制,介绍了针对捕获目标直径20 m的特大型绳网的结构设计、材料选择、加工方式以及折叠包装研究情况,确定了较优构型绳网-正六边形网型正四边形网目,选取了合适的绳网材料,解决了超细绳网状结构编织问题和可控折叠包装问题;对绳网的拉出展开过程进行了仿真分析,开展了地面抓捕试验验证,绳网均有序拉出展开捕获目标,通过仿真分析及实物试验对比,特大型绳网的设计、折叠包装方式、拉出展开得到了验证;总结了特大型绳网研究成果和后续改进方向,为工程应用奠定了基础,可为空间碎片柔性捕获清除的研究提供参考和借鉴。     

空间绳网有控展开方法及优化

针对影响空间绳网展开性能的绳网回弹现象，提出了一种基于拖曳绳张力控制的绳网展开控制方法。首先，使用质心追逐描述绳网的回弹现象，并针对追逐过程提出了使用拖曳绳控制的绳网展开方法。其次，以有效展开位移为优化目标，提出了一种基于遗传算法的最佳控制力优化策略。最后，基于弹簧质点法建立了绳网的动力学模型，并通过数值仿真对比了无控、恒力和变力控制下绳网的展开性能。结果表明，控制力优化策略可以成功优化出所需控制力曲线，提出的有控展开方法可以大幅提高绳网的有效展开位移，提升绳网的展开性能。     

减速伞收口状态气动特性仿真与试验研究

减速伞是回收着陆系统中重要的气动减速装置,其气动特性关系着整个减速着陆过程的成败。由于减速伞开伞动压高、载荷大的特点,结构设计及参数选择非常关键,并且,为减小开伞动载,一般采用底边收口的形式控制伞衣逐级充气展开。文章所述的减速伞具有两级收口装置,基于某伞型为带条伞的减速伞进行了收口状态的数值仿真分析和风洞试验研究。利用流固耦合方法获得了减速伞的收口展开过程中典型阶段的气动外形,采用计算流体力学(ComputationalFluidDynamics,CFD)方法对收口状态下的减速伞进行了气动特性计算分析。同时,为考察减速伞收口状态的稳态阻力特性及收口解除过程中的阻力特性变化,并验证收口解除装置的工作可靠性,在亚声速风洞中对减速伞进行了稳态及动态解除收口试验。通过减速伞风洞实验,对其阻力面积及动态特性参数进行了测量,实验结果表明仿真计算能够较为准确的预测减速伞收口状态的气动及动力学特性,且误差不大于5%,从而能够为减速伞的结构及强度设计提供重要依据。     

基于无速度测量的无拖曳卫星自适应控制方法

为了实现无拖曳（Drag Free）卫星中卫星本体对内部质量块的高精度跟踪,首先推导了近地环境下卫星与质量块的相对运动动力学方程,并分析了影响二者相对运动的主要干扰源。针对位移模式单质量块Drag Free卫星只能获取质量块与卫星相对位置测量,设计了自适应控制器,适用于卫星质量和空间干扰为定常或慢变未知量的情况,且在卫星质量和外部干扰为未知常值的假设下,控制器能够保证卫星对质量块跟踪误差的全局渐近收敛。最后给出了仿真场景以说明本文方法的有效性。