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。     

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。     

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。     

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。     

绳系卫星系统动力学,运动学与控制评述纲要

基于作者对绳系卫星系统的研究成果,比较全面、系统、扼要地阐述了绳系卫星系统在动力学与运动学方面的特性与研究方法,并对绳系系统的控制技术作出评述。     

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.     

辐射开环空间绳系机器人编队动力学及控制

提出了一种新型辐射开环空间绳系机器人编队系统,其在编队稳定性、任务灵活性及燃料消耗等方面具有明显的优势。针对辐射开环空间绳系机器人编队系统自旋运动过程中的构型误差控制问题,首先建立了编队系统的自旋动力学模型;然后分析了空间绳系机器人的绳系拉力和空间平台的自旋扭矩对编队系统自旋运动中出现的构型误差的控制能力;设计了一种依靠空间绳系机器人绳系拉力和空间平台自旋扭矩作为控制量,对构型误差进行控制的协调控制方法;最后通过数字仿真进行了校验和分析。仿真结果表明：设计的协调控制方法能够明显改善编队系统自旋运动中构型误差的控制效果。     

电动力绳系卫星轨道机动策略研究

针对电动力绳系卫星轨道机动问题,提出三种电流控制策略实现不同要求的轨道机动。采用常值电流、bang-bang式电流以及傅里叶式电流三种控制策略来实现电动力绳系卫星的轨道机动,并引入小误差修正方法来提高控制精度。结果表明：常值电流和bang-bang式电流分别能够实现轨道倾角和升交点赤经的独立变化;而傅里叶式的时变电流能够实现考虑气动阻力情况下的一般轨道机动。提出的小误差修正方法只需经过一次误差修正就能显著提高轨道机动控制精度。     

视觉导引受限下空间绳系机器人最优逼近控制

针对空间绳系机器人对目标逼近过程中单目视觉视线角约束和导航信息不全问题,首先建立空间绳系机器人系统动力学模型。然后考虑抓捕器视线角约束,采用高斯伪谱法对空间绳系机器人逼近任务姿轨轨迹进行一体规划。同时设计无需相对目标距离的闭环控制器实现对空间绳系机器人最优姿轨轨迹进行跟踪控制。仿真结果表明,该方案能够克服视觉导引受限的影响,实现空间绳系机器人对位姿最优轨迹的精确跟踪。     

绳系卫星系统交会对接的应用与设计

文章介绍了绳系系统交会对接这项新技术在空间中的应用。主要包括:空间站利用系绳与航天器交会对接,实现为空间站提供各种供给;利用绳系系统与空间碎片对接,可回收或转移空间碎片,保护空间环境;利用一级或多级的绳系系统组成轨道转移系统,实现向地球同步轨道或火星轨道上转移和运送有效载荷。文章还介绍了绳系交会对接系统的设计,包括系统的一般控制方法和算法以及系统的结构设计。随着各项相关技术的发展,绳系卫星系统交会对接将发挥更大作用。     

Planar dynamics of variable length multi-tethered spacecraft near collinear Lagrangian points

This paper examines the planar dynamics of a wheel-and-spoke configured multi-spacecraft system, connected together by variable length tethers, near the second Sun–Earth Lagrangian point. The closed form solutions of the system under some simple tether length functions are determined and numerical results for the tether pitch librations under more complex tether length functions are obtained, along with the control effort required to maintain the desired tether librations.     

Experiments and numerical simulations of an electrodynamic tether deployment from a spool-type reel using thrusters

The amount of space debris is ever increasing, and pollution of the space environment has become a serious problem that can no longer be ignored. Consequently, the active removal of large space debris from crowded economically useful orbits should begin as soon as possible. The Japan Aerospace Exploration Agency has been investigating an active debris removal system that employs highly efficient electrodynamic tether (EDT) technology for orbital transfer. This study investigates the tether deployment from a spool-type reel using thrusters by means of numerical simulations of an EDT system. The thrusters are used in order to ensure the deployment of a tether with the length of several kilometers. In the simulations using a multiple mass tether model, the key parameters are estimated from various on-ground experiments. By means of the numerical simulations, the dynamics of tether deployment is studied and requirements of thruster needed for the deployment, such as the thrust forces and the periods of thruster activation, are clarified.     

Study on electrodynamic tether system for space debris removal

As a countermeasure for suppressing space debris growth (P. Eighler, A. Bade, Chain Reaction of Debris Generation by Collisions in Space—A Final Threat to Spaceflight? in: 40th Congress of the International Astronautical Federation, IAA-89-628, October 1989), the National Aerospace Laboratory of Japan is investigating a satellite capture, repair and removal system for non-cooperative satellites, part of which involves assessing the viability of electrodynamic tether (EDT) technology as an orbital transfer system. In this paper, some results concerning the time required to remove existing satellites, the behavior of flexible tethers during the debris separation phase, and orbital transfer strategies of EDT systems during space debris removal operations are described. From numerical simulations, it is found that EDT systems can transfer satellites from LEO to orbits with a short lifetime within a realistic timeframe. It is also found that the stability of EDT systems is compromised when debris separation occurs both while a tether current is running and when the ratio of the end mass to that of the service satellite is high. To ensure stability, the end mass should be selected from the target debris group with due regard for the maximum possible mass that can be maneuvered safely. Moreover, it is also found that orbital elements (a, e, i) can be changed independently with an adequate current control strategy.     

Tethered towing using open-loop input-shaping and discrete thrust levels

Asteroid retrieval, satellite servicing, and debris removal concepts often rely on a thrusting vehicle to redirect and steer a passive object. One effective way to tow the object is through a tether. This study employs a discretized tether model attached to six degree-of-freedom end bodies. To reduce the risk of a post-burn collision between the end bodies, discrete thrust input shaping profiles are considered including a Posicast input and a bang-off-bang thrust profile. These input shaping techniques attain desirable collision avoidance performance by inducing a tumbling or gravity gradient motion of the tethered formation. Their performance is compared to an earlier frequency notched thruster profile.     

改进的绳系卫星系统距离速率控制律

为扩大绳系卫星系统(TSS)控制的稳定域,提出了一种改进距离速率控制算法。根据TSS动力学方程及构造的二阶稳定系统,给出了修正的控制模型。讨论了稳定释放角度和释放/回收速度的影响,并研究了固定绳索长度系留控制方案。算例表明该方法可显著扩大稳定域,提高释放速度。     

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。     

再论空间系绳在回收容器返回中的应用

在已有的研究结果的基础上，对空间系绳在回收容器回中的应用，作了进一步分析，包括从回收容器离开空间站至回收容器从系绳上脱落的系绳伸展运动，（２）从系绳脱落的回收容器的返回运动，（３）释放容器后的系绳的收回运动。对回收容器的动态释放，除了两阶段指数型伸展程序外，还提出了另外两种导致系绳后摆的方式。对静态释放与动态释放，不仅对系绳长度，而且对系绳张力作了计算与分析。为了系绳收回过程的稳定，不仅要施加张力