空间绳网捕获碰撞动力学分析与优化

逐年增加的太空碎片以及失效卫星对空间轨道资源的可使用性和可持续性构成了极大威胁。空间绳网捕获作为一种新型高效的太空碎片清除方式,其核心部件——绳网系统的设计与优化是在轨捕获任务圆满完成的重要前提。本文重点关注空间绳网系统与目标物的碰撞过程,基于有限元法和赫兹理论建立空间绳网系统动力学和绳网-目标碰撞动力学模型,利用Abaqus对空间绳网不同构型及参数的捕获碰撞过程进行了仿真分析,借助Design-Expert在网目形状确定的基础上设计了三因素的响应曲面实验,经过多组实验数据的交互响应分析与优化,得到了最优的绳网构型以及参数。经过仿真验证,该绳网系统的最大接触法向力为83.9 N,最大滑移量为14.379 mm,最大弹性应变能为836.4 J,与优化目标量之间的差值均在7%以内。该优化策略减小了绳网捕获碰撞过程的接触法向力与滑移量,能够降低捕获过程中绳网缠绕、撕裂等意外发生的概率,同时保障了足够的弹性应变能以满足能量缓冲的要求,对空间绳网构型及参数设计具有一定的参考价值,可为空间在轨捕获任务提供安全可靠的保障。     

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...     

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。     

空间绳网旋转展开动力学分析

针对火工装置直接抛射展开空间绳网方案存在的对卫星平台冲击大、绳网展开后网体构型维持时间短的问题,提出一种基于周置可控旋筒的旋转展开空间绳网系统方案.构建了基于拉格朗日动力学方程的网臂旋转展开解析模型和基于中心差分算法的网臂/网体的旋转展开有限元(FE)仿真模型,并将上述三种模型进行了对比校验.采用解析模型和有限元仿真模...     

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。     

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。     

空间大型末端执行器捕获动力学与实验研究

以绳索式末端执行器为研究对象,基于离散化方法,采用六维弹簧柔性连接方式建立了绳索动力学模型,并引入绳索与目标间的非线性接触碰撞力和摩擦力模型,获得末端执行器捕获动力学模型,并设计了末端捕获冲击实验,验证了模型的正确性。所建模型可充分考虑绳索的空间运动状态以及捕获过程中绳索与目标间的接触碰撞过程,基于此模型可预示并预防捕获过程中瞬时的较大冲击。对于机构设计和控制器调试具有一定意义,并可作为物理试验的有效补充,解决我国未来空间大型目标捕获任务地面试验验证困难的问题。     

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。     

高轨空间碎片自主捕获观测及跟踪方法

针对高轨空间碎片的精准化跟踪及清除需求,文章提出一种基于星图背景的全自主捕获、观测及跟踪识别方法,依据恒星惯性空间位置不变性,通过连续帧图像数据比对实现恒星目标和非恒星目标分离,完成空间碎片目标识别。作为应用于高轨空间碎片捕获、观测的全自主双体制模式探测系统,在兼顾空间碎片捕获、观测的基础上,同时还具备恒星测姿功能,经过地面及在轨验证表明：在对高轨空间碎片跟踪过程中四元素结果稳定,恒星测姿结果稳定,可广泛应用于高轨空间碎片的跟踪与治理任务。     

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。     

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。     

空间伸展机构接触碰撞的动力学分析

本文以子结构离散的柔性多体系统动力学为基础,引入与碰撞有关的约束条件导出了描述碰撞过程的柔性多体系统的动力学方程。通过仿真计算可得到空间伸展机构撞击阶段的时间,构件在碰撞阶段的动力学响应;并从与约束方程相关的Ｌａｇｒａｎｇｅ乘子获得撞击力的变化规律。从而可较全面地描述空间伸展机构整个接触碰撞动力学过程。本文以伸展机构的两个构件碰撞过程的仿真为例详细介绍各种建模方法与计算方法。     

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。     

远程攻击末制导目标截获概率数字仿真

在分析影响远程打击飞行器截获概率各种误差因素的基础上，引入截获条件和截获概率密度函数．用蒙特卡罗法精确计算末制导截获概率，并给出了仿真计算的流程。仿真结果表明，该法能有效分析误差因素对飞行器空中截获概率的影响，为远程打击飞行器武器系统的误差配置和制导控制系统设计提供参考。     

飞艇系留系统静态与动态仿真研究

文章建立了飞艇系留系统多体力学仿真模型,将绳索处理为质点-弹簧-阻尼系统,在有风条件下针对某型飞艇产品进行了静力学和动力学分析。结果表明,张力从地面沿系留绳逐渐增大,在与飞艇连接处达到峰值;在一定范围内,随着飞艇攻角的增加,飞艇的驻空高度增加,偏移量减小,但绳索内部张力也有显著的提高;绳索质量增大会影响飞艇系留系统性能;随着风速的增加,飞艇的水平偏移量增大,驻空高度降低,绳索张力增大;在变风场条件下,绳索内张力波动范围不大。