空间系绳碎片碰撞生存能力研究

空间系绳结构和几何尺寸对其在复杂空间环境中抵抗碎片碰撞的能力有显著影响.本文根据系绳-碎片碰撞模型和泊松分布,计算了双股系绳和带状系绳被碎片割断的概率,分析了太空碎片对系绳生存能力可能造成的影响.双股系绳是由两条平行系绳每隔一段距离打结连接构成,带状系绳可视为一种横截面为矩形的特殊单股系绳.首先对单股系绳被碎片割断的概率进行建模,然后构建双股系绳和带状系绳生存能力函数,最后根据空间碎片环境模型,对比分析具有不同结构、不同尺寸的系绳的生存能力.仿真结果表明,相较于单股系绳,双股系绳和带状系绳的生存能力有明显提高.      

基于模糊应力-强度模型的空间系绳碰撞可靠性

空间系绳系统由于其特殊的组成结构日益受到关注,空间系绳的碰撞可靠性研究是系绳任务设计的重要一环.本文采用可靠性分析基本原理中的应力-强度模型,根据近地轨道的空间碎片通量和泊松分布方法,进行空间系绳在轨碰撞可靠性的研究分析.根据对空间系绳碰撞可靠性有影响的系绳结构因素,即单股系绳的直径、长度,双股系绳的绳间距、碰撞角等,...     

柔性系绳平衡状态临界绳长研究

为了确定柔性系绳系统在平衡状态下的临界绳长,在考虑大气阻力、系绳伸展性、系绳质量等因素的情况下,基于系绳系统轨道运动建立了系绳平衡状态方程.为确定求解系绳平衡方程所需初值条件,分析了载荷受力情况并建立其平衡状态方程,进而分析给出了系绳长度达到临界值的条件以及临界绳长的计算方法.仿真计算了不同载荷质量、系绳直径和载荷弹道系数这三种情况下系绳的临界绳长,分别拟合得到这三种情况下临界绳长的计算方程,并分析了不同载荷质量、系绳直径和载荷弹道系数对系绳临界绳长的影响.      

随机扰动情况下绳系卫星状态保持阶段的最优控制

在考虑系绳弹性的情况下, 建立绳系卫星轨道面内运动的动力学模型, 并在系统平衡位置线性化, 得到绳系子星在随机扰动作用下的稳态保持状态方程. 引入基于卡尔曼滤波的状态估计方法和最优状态反馈控制策略, 提出了保持系统稳态运行的控制方法, 并以YES2空间系绳试验为参考模型设计了稳态保持控制系统. 分别在不考虑系绳弹性和考虑系绳弹性的系统模型下进行相应仿真分析, 结果表明所提出的控制方法能使系统具有良好的抗干扰性能, 系绳控制张力变化平缓且幅值小, 提高了系统状态保持阶段的可靠性和安全性. 同时系绳刚度系数的减小可使系绳纵向振动加剧, 但对横向摆动影响较小, 这为选取合适的系绳材料提供了理论参考.      

带偏置点的绳系拖拽离轨系统动力学研究

考虑空间拖船利用飞网/飞爪对空间残骸捕获结束后绳系拖拽系统的动力学特性,开展了基于简化的带偏置点构型的建模及仿真研究.首先,捕获后的组合体包括空间拖船、系绳和空间残骸,系绳在空间残骸一端的牵挂点看作偏置点,给出相应的的绳系拖拽系统构型;其次,以降轨离轨过程为例,建立系统能量方程,并根据欧拉-拉格朗日方程给出系统的动力学表达式并估算系绳张紧情况下的平衡点;最后,设定离轨推力,在不同的初始角速度、系绳张紧或松弛以及不同松弛程度条件下,分析绳系拖拽离轨系统的动力学行为.研究表明,空间残骸小的初始角速度和张紧或略微松弛的系绳能够保证安全离轨.     

速率控制下的空间系绳的伸展

以地球同步轨道高度上的空间系绳的伸展为例,阐述了长度速率控制律中的参数对伸展过程的影响,控制律中参数选择的方法,最大系绳拉力的估算以及伸展过程中系绳应力的计算。     

系绳辅助的行星际轨道捕获研究

针对深空探测中应用动量交换系绳辅助进行行星际轨道捕获时的系绳控制问题,首先对运行在目标行星双曲线飞越轨道上的探测器系统进行动力学建模,给出了一致性轨道捕获条件和系绳最佳切断点,并进行了动力学特性分析。考虑到子探测器捕获后的变轨需求及系绳收放速率的限制,提出了新的最优控制方法,并应用模拟退火算法进行了数值求解。仿真结果表明,系绳切断时指向恰当,子探测器距离目标行星最近,将有利于后续变轨;系绳最大收放速率约为30m/s,切实可行。     

利用空间系绳的降轨与再入

空间系绳可以将回收容器(试样)带出空间站(实验室),进入地球再入轨道。两段指数型的伸展程序和尽可能大的伸展速率对长度之比,能够激发空间系绳产生较大量值的负平面内摆角速度。该角速度可以缩减用于回收容器再入的空间系绳长度或改进再入特性。     

绳系卫星系统耦合振动频率的确定

将N(N≥2)体绳系卫星系统的各节系绳分为足够多的小段,如共有M-1段,每小段上的系绳张力可认为是常量。这样由N 体问题转化来的M 点问题即可逼真系绳张力沿系绳的变化。利用中间连接点的边界条件,M 点边界值问题可简化为等效的两点边界值问题,从而平面内耦合振动频率的求解归化为四阶行列式的求值。由绳系卫星系统运动中心概念推导出的每小段系绳张力的平均值,被用于系统振动频率的求解。并给出一套适合于编制计算程序的求解轨道平面内耦合振动频率的数学表达式,以及一组模拟计算结果。     

绳系卫星释放及工作态动力学分析

考虑强系卫星系统强索质量的影响，导出三维空间动力学方程，运用Pontryagin极小值理论求出释放过程中张力优化控制规律；得到最佳释放速度变化曲线，对子星工作阶段进行动力学分析。讨论系统质心沿椭圆轨道运动与姿态运动的耦合，文中附有算例。     

论绳系卫星系统的运动中心

讨论了稳定状态下绳系系统运动中心及相关的力学与应用问题。绳系系统运动中心与系统质心不重合。确定了运动中心在系绳上的位置,并从运动中心概念出发,导出系绳拉力的表示式,阐述了系绳拉力偏差对摆动频率计算的影响。     

一组新的绳系卫星系统广义坐标

应用一组新的六维广义坐标,在一个统一的力学系统中,研究在外摄动力（地球非球形引力与大气阻力等）及系绳拉力的作用下,绳系系统质心在惯性空间的轨道运动,以及该系统相对于质心的相对运动。系绳模拟为具有质量的弹性连续体,系绳两端的空间飞行器假设为点质量。下列变量取为力学系统的广义坐标：系统质心的向径、赤经、赤纬,主星与子星之间的距离,以及系绳相对于系统质心子午面的两个欧拉角。经典的质心轨道根数,以及系绳在质心轨道面内与轨道面外的摆动角,均可由上述六个广义坐标及其广义速度确定。     

Practical guidelines for electro-dynamic tethers to survive from orbital debris impacts

Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) has proposed an active debris removal using electro-dynamic tether to reduce large space debris in the low-Earth orbit. However, a tether strand is thin but long enough to have a large area so that it is vulnerable to small particles. This vulnerability might be the weakest point of a tether system against orbital debris. In order to overcome this weakest point, a double tether system, in which two tether strands are tied together at even intervals to form equally spaced loops, has been suggested as one of the promising candidates. This paper provides a mathematical approach to estimate the survival probability of a double tether system and then apply the approach to evaluate the mission success rate of the active debris removal using electro-dynamic tether that JAXA has proposed. It can be concluded the countermeasure to get enough success rate can be obtained. The result is simulated for Advanced Earth Observing Satellite II (ADEOS-II) re-entry from 800 km sun synchronized orbit to atmosphere. The simulation shows that mission success rate over 90% can be obtained with number of loops over 1000 and 10 mm clearance between two strands.     

基于矩阵分解的空间系绳系统不完全反馈控制

针对利用空间系绳系统（STS）进行面内捕获过程中系绳展开后状态保持阶段及捕获完成后系统面内运动抑制等问题,在面内角和面内角速率信号丢失情况下,基于矩阵分解采用不完全状态反馈控制方法,设计出能够抑制系绳展开完成后所出现的非标称行为、捕获后面内摆动的张力控制律,进而使系统回稳。将所设计的控制律与线性二次调节器（LQR）+降维观测器方法对比,在参数不确定的条件下检验该控制律的控制效果。仿真结果表明,所设计的控制律在超调量和调节时间上优于LQR+降维观测器方法,能够有效控制系绳的展开误差及捕获过程所带来的面内扰动。所设计的控制律结构简单,控制效果良好,且设计过程无需参数调整。