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。
     

绳系卫星安全捕获策略下的释放最优控制

安全捕获是绳系卫星系统空间应用的一个重要拓展。考虑系绳质量、系统质心变化及状态、控制约束,采用基于Lagrange方程的圆轨道条件下空间绳系网捕系统三维动力学模型。建立了安全捕获模型,推导得到零相对速度条件下的安全捕获末端条件。为保证方法的适用性,将基于Legendre伪谱法的连续时间最优控制问题离散为标准的非线性动态规划问题。最后在考虑释放控制前初始面外角偏差为5°的情况下,通过数值仿真验证了方法的有效性。仿真结果表明：对于远距离释放条件下的安全捕获,系统质心变化不容忽视;最小能量与绳长加速度约束下的控制响应相比最小时间与面内角约束要更平滑。     

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。     

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。     

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。     

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。     

空间绳网多收口质量块收口过程动力学分析

针对空间绳网捕获应用,进行了多收口质量块收口过程的动力学分析。以一种自适应双卷筒卷取机构为研究对象,考虑包含有三个质量块的收口系统,通过建立收口质量块质点运动微分方程、收口绳长约束方程并利用非正交变换方法,给出了各收口质量块质心运动与缆绳卷取运动耦合的动力学模型,仿真分析了质量块平动发射和系统自旋发射等典型收口过程的运动特点,给出了一些收口过程的驱动控制策略,同时也说明此类自适应收口质量块具有较强的自适应性和容错性,适用于空间绳网捕获系统。另外,以上分析也适用于采用缆绳控制的绳系卫星编队系统。     

周边式对接机构对接捕获阶段的三体力元动力学模型

在空间交会对接过程中，从首次接触碰撞到完成捕获这一阶段称为对接捕获阶段，对对接捕获阶段动力学性态的研究是空间交会对接技术的关键，建立动力学模型进行仿真是研究的一个有效途径。以有内导向瓣异体同构周边式对接机构为研究对象，从机构的物理模型出发建立了对接捕获阶段的三体力元模型。该模型考虑了缓冲系统六个方向之间的耦合和缓冲系统中齿轮等转动部件惯量的影响。并在动力学仿真软件DADS的接口上开发相应的用户模块。在DADS平台上完成对接过程的动力学仿真。     

视觉测量误差对空间机械臂捕获目标卫星控制精度的影响分析

空间机械臂通过视觉伺服测量其末端与目标卫星之间的相对位置和姿态信息,以此规划和控制关节运动轨迹,完成捕获操作。文章分析了视觉测量误差对空间机械臂捕获目标卫星控制精度的影响。首先,建立视觉伺服系统的测量误差模型。然后,根据目标卫星捕获控制算法推导了测量误差到单步和最终控制误差的传递模型。最后,通过工程算例仿真,计算分析了不同测量误差对应的相对位置、姿态、线速度和角速度的控制精度,给出了指定控制精度所允许的最大测量误差范围。文章研究结果可为空间机械臂的测量和控制精度指标设计提供参考。     

视觉测振技术在柔性太阳翼模态试验中的应用

针对8 m×5 m的柔性太阳翼在倒立状态下进行模态试验,设计数字摄像视觉测振系统,基于图像特征跟踪法实现了从相机标定、图像采集、信息提取到三维振动数据获取的过程,通过工况模态辨识方法获取了柔性太阳翼模态频率及振型等动力学参数。并考虑空气和重力影响建立太阳翼有限元模型,通过与基于基恩士激光位移传感器的传统模态试验结果及仿真分析结果进行对比,验证了基于视觉测振工况模态试验方法的准确性,为柔性太阳翼在轨模态辨识奠定基础。     

小型辐射定标光学系统的光机热集成分析

卫星遥感器辐射定标光机系统在模拟空间环境下的热学光学特性会影响辐射定标试验的精度。文章针对离轴抛物镜和辅助平面反射镜组成的小型定标光学系统,利用光机热集成分析技术建立其有限元模型,在模拟空间环境下进行热变形分析;选用在单位圆内正交的Zernike多项式作为基底函数,采用最小二乘法完成了离轴抛物镜面形的拟合;将相关数据读入光学软件,分析了该系统在模拟空间环境下的像质变化。结果表明:温度梯度对定标光机系统的影响主要表现在光学平台的刚性位移,对抛物镜面形影响非常小,光学系统像质变化量约为λ/37。最后,通过与刀口仪法的像质原位测量结果对比,证明了光机热集成分析结果的准确性。     

临近空间飞行器多物理场耦合建模的网格映射方法

临近空间飞行器的研制面临许多复杂的问题和挑战,涉及总体、气动、结构、控制、防热、动力等多个学科和专业领域的相互作用、高度耦合的子系统。全系统、全流程的仿真验证与性能评估能够为设计工作提供重要依据,缩短研制周期。而气动、结构、防热等专业的仿真建模和模型解算基于有限体积法或有限元方法,依赖于不同的工具软件,且网格的划分方法不同。本文研究了临近空间高超声速飞行器多物理场耦合建模方法,研究并实现了异构网格耦合界面之间与耦合域之间的信息传递方法,从而实现了临近空间高超声速飞行器的多物理场耦合建模与仿真。     

舱体入水工况参数对冲击特性的影响分析

为分析大型舱体返回入水时入水垂直速度等工况参数对其冲击特性的影响,提出一种基于任意拉格朗日欧拉法的舱体入水过程模拟方法,应用球底结构入水问题理论计算方法验证该模拟方法的有效性。通过对不同入水工况的有限元模拟,分析入水垂直速度和入水角度对冲击特性的影响。结果表明本文建立的舱体-流体有限元模型能够有效模拟舱体入水过程,舱体冲击加速度峰值与入水垂直速度成正比,舱体以一定角度入水能够降低入水过程的冲击加速度。研究结果可以为新型舱体的结构设计和入水冲击试验提供指导,从而减少试验次数,缩短开发周期。     

模型不确定的空间机器人无力传感器阻抗控制方法

针对自由漂浮空间服务机器人在轨捕获时与服务对象的碰撞问题,提出一种考虑模型不确定情况下的无力传感器阻抗控制方法.通过将不确定模型观测的接触力和神经网络对模型不确定部分辨识得到的接触力,共同作为末端执行器与服务对象抓捕点的估计接触力和阻抗控制器的反馈,使空间机器人在模型不确定和无力传感器的情况下仍能实现与服务对象的柔性接...     

舱内失压下航天员热舒适度和散热量仿真

针对载人登月舱内失压应急返回过程中,不同条件下航天员穿着舱外航天服维持生存时的热舒适度问题,基于Matlab建立了人-航天服热模型。其中人体热模型基于Fiala模型建立,航天服热模型使用集总参数法建立。经过不同工况的对比,仿真结果与文献数据基本吻合,验证了模型的正确性。在此基础上,基于DTS热舒适度计算方法对不同失压紧急情况下的人体热舒适度进行了分析,得到了舱内不同环境下人体热舒适度、航天服所需散热量和通风气体湿度的变化规律,并提出了系统优化方案,为我国应急舱内压力防护系统的设计和生保方案制定提供了参考。     

空间机器人抓捕目标后动力学参数辨识研究

针对自由漂浮空间机器人抓捕目标后的动力学参数辨识问题,提出一种参数辨识的持续激励轨迹设计方法。首先,基于动量守恒原理建立了自由漂浮空间机器人的动力学参数辨识模型;然后,采用有限傅里叶级数对空间机器人的机械臂关节运动轨迹进行参数化表示,并以参数辨识回归矩阵条件数最小化为指标,通过求解一个包含多约束的非线性优化问题得到傅里叶级数的待定系数;最后,采用基于QR分解的递推最小二乘估计方法实现对采样数据的序贯处理,并求解出待辨识参数。仿真结果表明,提出的激励轨迹设计方法可以显著提高空间机器人参数辨识的收敛速度和准确性。     

有限空间轴对称射流流场的数值模拟

本文在к－ε紊流模型下，采用罚有限元法对有限空间轴对称射流流场进行数值模拟。引用罚函数优化迎风格式和退化积分，建立有限元解法的数值矩阵，在不同截面上求得工，压力和紊流参数分布，计算结果与实验数据十分接近。本文研究结果可应用于火箭发动机的喷射设计和射流量论的研究。     

气动薄膜调节阀控制系统工作过程的动态仿真

借鉴气体减压器动态仿真的有限体积模型发展了一种可仿真气动薄膜调节阀动态流场的有限体积模型,并结合简单的比例-积分-微分(PID)控制算法,发展了一种可仿真气动薄膜调节阀控制系统工作过程的动态仿真模型。采用此模型,运用模块化建模与仿真方法对气动薄膜调节阀控制液体火箭发动机贮箱压强的简化系统进行了动态工作过程仿真,比较了不同PID参数和初始参数设置情况下的控制品质。数学模型和建模方法显示出较好的有效性和通用性。     

空间失稳目标线阵成像畸变分析与三维重建

针对线阵扫描型激光雷达在非合作失稳航天器三维模型重建过程中，存在运动目标线扫数据畸变且目标因失稳导致运动特性难以准确估计问题，提出一种带畸变自修正式三维重建方法，并进行畸变容忍度临界值分析。该方法基于测量系统的角精度与测距精度设计畸变容忍度临界值判定条件，首先根据实际工况与判定条件进行比对，判定是否对线扫数据进行初始畸变恢复；其次，对相邻扫描带畸变点云依次进行配准获取目标运动增量、解算目标瞬时运动参数；然后对目标运动参数进行自修正式处理，去除特征突变点干扰；同时依次恢复点云到初始几何位置，完成初始目标三维重建；最后，通过系统进一步迭代，位姿增量自收敛直至最终满足重建精度要求。仿真结果表明，该方法在缺失非合作目标先验信息的情况下，能够有效避免因线扫描导致的畸变问题，并较为快速地实现满足精度要求的目标三维重建，有较强的鲁棒性。