復雜太空環(huán)境下柔性繩系衛(wèi)星動力學與控制.pdf

1、繩系衛(wèi)星是人類認知太空的一種新型飛行器，在空間科學、深空探測等領域具有重要價值，受到人們的廣泛關注。隨著科學技術的日趨進步與成熟，西方國家正爭相對繩系衛(wèi)星系統(tǒng)的理論、地面實驗及在軌飛行進行深入研究。眾所周知，繩系衛(wèi)星系繩的柔性、太空環(huán)境的復雜性及相應的控制理論等都是當前繩系衛(wèi)星研究的難點，對這些問題的研究與解決顯得十分迫切。本文主要內容如下：
　　 首先，通過將柔性系繩離散為一系列繩結點，在繩結點進/出衛(wèi)星體時考慮系統(tǒng)自由度變化

2、，建立了時變自由度繩系衛(wèi)星動力學模型。模型充分考慮了系繩的柔性、粘彈性、“火箭項”、耗散作用以及系繩與衛(wèi)星本體間摩擦、沖擊對Kepler軌道的影響，很好地揭示了繩系衛(wèi)星運行過程中系繩構形的變化規(guī)律。
　　 然后，提出一套改進的有限差分方法來計算時變多自由度系統(tǒng)的動力學響應。算法的核心思想是在每一次迭代循環(huán)中對系統(tǒng)自由度變化與否進行判定，一旦自由度發(fā)生變化，則通過重新劃分系繩單元，添加(或刪除)相應結點的信息，重置系統(tǒng)質量、阻尼和

3、剛度矩陣及位移和荷載向量，使得迭代計算可以繼續(xù)進行直至得出最終響應結果。此算法略去了多余的結點計算，提高了計算效率，可推廣至一維連續(xù)體系統(tǒng)釋放/回收過程的動力學研究中。
　　 隨后，研究了各種真實太空環(huán)境攝動因素對復雜繩系衛(wèi)星系統(tǒng)的動力學影響。數(shù)值結果表明，熱效應與太空碎片撞擊對系統(tǒng)作用十分顯著；J2攝動與大氣阻力對繩系衛(wèi)星的影響取決于繩系衛(wèi)星系統(tǒng)所處的軌道傾角與高度；隨Kepler軌道偏心率的變化，繩系衛(wèi)星系統(tǒng)將發(fā)生分岔，出現(xiàn)