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。     

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。     

空间绳系组合体拖曳动力学分析及振动控制

空间绳系捕获系统捕获目标物后的组合体在拖曳离轨过程中常产生振动,为此,建立了切向连续推力作用下的空间拖曳绳系组合体面内动力学模型,并对模型进行了横向摆动与纵向振动耦合分析。针对组合体的纵向振动问题提出了一种以张力控制为内环、速度控制为外环的双闭环振动控制策略。进行了振动控制仿真分析,并根据动力学的相似性,建立地面模拟实验系统,仿真与实验结果表明该控制策略可迅速抑制组合体纵向振动、减小系绳冲击并可避免出现系绳松弛现象。     

航天器增阻离轨技术发展概述及前景展望

在介绍增阻离轨技术的基础上,分析了国外开展的薄膜轨道衰降装置(GOLD)、阻力帆离轨装置(DSDD)、充气式离轨装置(IDOD)、任务后气动离轨系统(Aeoldos)、气动离轨减速系统(IDEAS)等典型项目的研制情况;总结了增阻离轨技术的方案特点,提出针对质量1000 kg以上的大卫星,研究充气式增阻离轨技术的必要性;介绍了外形设计及优化、结构材料、折叠包装与可控展开等关键技术,并对该技术在空间碎片主动清除、大型空间平台有控再入等方面的应用前景及设想进行了介绍,可为发展增阻离轨技术提供参考。     

基于电动力绳系的航天器离轨方式初步研究

为寻找适合近地轨道上使用的航天器离轨技术,文章对目前各种离轨策略的基本原理及优缺点作了分析与对比,重点对电动力绳系离轨装置进行了深入研究,建立了数学模型,推导出离轨时间预估公式,对离轨的过程进行了数学仿真,结果证实电动力阻力能使近地轨道上航天器的轨道高度迅速降低,电动力绳系离轨策略具有很高的工程实用性。     

PW-Sat2立方星离轨帆研制及在轨验证

针对当前的空间碎片减缓要求,轻小型、模块化、通用化离轨装置的研发成为研究热点。其中薄膜帆离轨装置具有成本低、质量小、发射体积小、面质比大等优点。文章以波兰PW-Sat2立方星离轨帆为例,总结其研制、试验过程,特别是对于帆面和非火工锁紧/释放机构;分析其在轨实验期间的离轨效能和故障模式,并提出可靠性提升方案,以期为我国后续离轨帆产品的研制提供参考。     

系绳卫星的近期进展

美国航宇局(NASA)与马丁·玛丽埃塔公司正在就美国——意大利系绳卫星系统的一项预研阶段合同的最后条款进行磋商,并打算于1982年12月签字。据NASA官员称,系绳卫星系统的预研阶段预计需要一年时间。系绳卫星系统由卫星、系绳以及施放装置组成,它装在航天飞机货舱内的空间实验     

美国家侦察办公室进行系绳研究

美国家侦察办公室进行系绳研究美国负责情报卫星采办的国家侦察办公室称他们正在利用一颗在轨系绳卫星进行系绳研究，以在某些方面弥补美国航天飞机今年２月进行的系绳卫星试验。这是该机构成立３５年来首次公开宣布它正在搞的一项空间计划。这颗卫星称为系绳物理与生存能...     

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。     

立方体卫星制动帆装置离轨时间分析

为了避免立方体卫星(CubeSat)失效后成为空间碎片,在立方体卫星寿命末期应采用低成本制动帆装置使其快速脱离轨道,从而减少对低地球轨道(LEO)航天器碰撞和损坏的威胁。文章建立了立方体卫星离轨的数学模型,得到立方体卫星离轨时间的影响因素分别为立方体卫星面质比、轨道高度和发射日期。应用实例仿真分析上述3种影响因素对离轨时间的影响,结果表明:随着立方体卫星面质比的增加,离轨时间不断减少;轨道高度越高,离轨时间越长;发射日期不同,离轨时间也存在较大的差异,在太阳活动峰年时离轨时间短,在太阳活动低年时离轨时间长。根据分析结果,对于3U立方体卫星而言,制动帆面积可设计为4m~2。     

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。     

Electrodynamic Tethered Deorbit System Dynamics and Performance Analysis

Electrodynamic tethered deorbit technology is a novel way to remove abandoned spacecrafts like upper stages or unusable satellites. This paper investigates and analyses the deorbit performance and mission applicability of the electrodynamic tethered system. To do so, the electrodynamic tethered deorbit dynamics with multi-perturbation is firstly formulated, where the Earth magnetic field, the atmospheric drag, and the Earth oblateness effect are considered. Then, the key system parameters, including payload mass, tether length and tether type, are analyzed by numerical simulations to investigate their influences on the deorbit performance and to give the setting principles for choosing system parameters. Based on this and given an appropriate group of system parameters, numerical simulations are undertaken to study the impact of the mission parameters, including orbit height and orbit inclination, and thus to investigate the mission applicability of the electrodynamic tethered deorbit technology.     

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。     

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。     

Tethers and debris mitigation

In recent years, the use of tethers has been proposed for reduction of space debris either through momentum transfer or use of electrodynamic effects. Tethers have been shown to at least theoretically allow for quick, elegant and cost-effective deorbit of defunct satellites or spent stages. On the other hand, the large risk that tethers themselves may pose to other satellites in orbit has been recognized as well. The large collision area of tethers, combined with operational hazards and meteoroid risk may result in a large orbital exposure. For example, in 1997, the ESA/Dutch 35-km tether deployment of YES from TEAMSAT was inhibited after an analysis of the collision risk for the case the tether operation would fail. The question rises how these two points of view compare to eachother. This paper intends to highlight a representative selection of the proposed tether applications while taking into account the added risks caused by the tethers themselves.Typical applications from recent literature will be briefly described, such as an Ariane 502 spent stage re-entry from GTO and the concept of deboost of defunct satellites by interaction of a conductive tether with the Earth magnetic field.Mass savings of the tethered sytems versus conventional equivalents will be evaluated.Based on a crude risk analysis, involving elements such as mission complexity, dynamic stability, meteoroid risk and orbital life time, a general outline of limiting factors can be given for the various applications. Special attention is reserved for implementation of mechanisms that help reduce this tether risk, such as the DUtether (Tether Degradable by Ultraviolet), utilization of airdrag and solar pressure, the effect of residual current in bare tethers, tether retrieval etc.It is proposed how a net tether-induced mitigation can be compared to that of conventional alternatives, i.e. deboost by rocket engine or a completely passive approach.This comparison is put in the perspective of an ever-increasing occupation of the space environment.It is concluded that tethers can in fact help mitigate the debris risk and that for each application a useful niche can be defined. It is argued that eliminating pollution directly after use of the precious resource of space is not only good custom, but also an important way to make the risk of debris controllable and independent of future trends. Although tethers may have large exposure in terms of area-time product, they deliver a quick cleaning service that may be appreciated by the future users of space.     

利用轨道瞬时根数预报的离轨制动控制方法

针对再入飞行器离轨制动问题,在考虑地球引力J2项摄动及有限推力影响下,设计了一种航天器自主离轨制动控制算法。该算法根据再入点状态约束,确定了离轨过渡轨道的平均轨道根数及其与离轨待命轨道平均轨道根数的关系,从而得到制动参数初值。通过在线数值递推轨迹,实时预报再入点瞬时轨道根数并计算再入点航迹倾角,当预报的航迹倾角满足约束条件时结束制动,并根据再入点纬度幅角误差修正制动起始点,从而修正制动参数。制动过程中,在考虑了J2项摄动影响下实时预报再入点瞬时轨道根数,依据实际任务需求确定关机时机。最后通过考虑初始状态误差、质量误差、推力误差以及姿态误差情况下的蒙特卡洛打靶仿真,分析了不同关机策略的落点散布特性,检验了该算法的自主决策和高精度再入点控制能力。     

大气阻力摄动下的绳系辅助离轨系统的相对姿态跟踪控制研究

以绳系辅助离轨系统为背景,考虑到大气阻力摄动和子星--返回舱的非质点因素,返回舱与绳系辅助离轨系统的相对姿态将产生大幅周期性变化,这将影响或破坏系统的稳定性;同时三自由度下绳系系统的展开控制和绳系系统横向振动抑制控制也对返回舱姿态的稳定性和精度提出了更高的要求.基于此,本文建立了大气阻力摄动下的绳系系统的展开动力学和返回舱姿态动力学模型;并在此基础上,设计了绳系辅助离轨系统的相对姿态跟踪控制策略.通过数学仿真来验证大气阻力摄动下该姿态跟踪控制算法的有效性,结果表明,该控制律能够有效控制绳系辅助离轨系统的相对姿态,满足展开控制的需要.     

Refined dynamical analysis of multi-tethered satellite formations

The dynamics of a multi-tethered satellite formation is considered here, in order to derive a minimum complexity model that successfully represents its dynamics under the action of gravity gradient force and tether tension, where tethers are modeled by means of a sequence of point-masses and massless springs (bead model). The results thus obtained are compared with those derived for a simple, massless tether model, in order to highlight the effects of tether mass on the resulting open-loop behavior. The analysis is performed by means of numerical simulation of the considered models. Once the dynamic behavior of the formation is identified for the nominal values of tether characteristics, the problems raised by the presence of tether mass are highlighted and possible solutions are outlined, when possible. A parametric analysis with respect to the tether linear mass, damping and stiffness is also discussed.     

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。     

The darboux point and the conjugate point on optimal deorbit for reentry trajectories

The concept of the Darboux point at which an extremal loses its global optimality is extended to the case of discontinuous control. Using Contensou's domain of maneuverability, the condition for optimal switching at a corner is derived and the optimality of the trajectory in the neighborhood of a Darboux point is analyzed. The theory is applied to the problems of minimum-fuel planar and noncoplanar deorbit from elliptical orbits for atmospheric entry at a prescribed angle. In each case, the global optimal trajectory is assessed and it is found that in these nonlinear problems the Darboux point and the conjugate point are distinct. The global optimality is always lost before local optimality.