《基於非接觸力的太空飛行器相對運動動力學與控制研究》是依託北京航空航天大學，由師鵬擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：基於非接觸力的太空飛行器相對運動動力學與控制研究
- 依託單位：北京航空航天大學
- 項目負責人：師鵬
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
基於編隊技術的分離模組組合太空飛行器是未來太空飛行器發展的一個趨勢。編隊涉及到的近距離的空間操作必須考慮羽流效應的影響和碰撞規避問題，這對傳統的軌道控制方式提出了新的挑戰。本申請旨在研究使用靜電力、電磁力等非接觸力進行太空飛行器相對運動控制的新方法。利用太陽能電池提供的電能產生電場和磁場，從而得到非接觸的星間靜電力和電磁力。將非接觸力用於太空飛行器的軌道控制可以有效地解決傳統軌道控制方式難以解決的問題。本申請將主要對非接觸力下的分離模組組合太空飛行器耦合動力學建模理論進行研究，包括星間非接觸力的建模、耦合動力學建模等。基於建立的耦合動力學模型，給出使用非接觸力進行隊形保持和隊形重構的控制算法，從而有效地實現分離模組組合太空飛行器的構型穩定和轉換。本申請研究的理論和方法可用於模組化太空飛行器的編隊隊形控制，對於新一代太空飛行器的研製發展具有推動作用，也可以為一般的交會對接、在軌捕獲、在軌組裝等任務提供技術支持。
結題摘要
隨著航天技術的發展，近距離相對運動的研究日益深入。以往大部分研究著重於相對運動控制的研究，但對控制力的實現方式研究甚少。由於燃料質量有限以及可能的羽流污染，常規推力器在相對運動特別是超近距離的相對運動的套用中會受到限制。為解決此問題，本項目對採用星間庫侖力和電磁力等非接觸力的太空飛行器相對運動的動力學與控制問題進行了深入的研究。 首先，本項目研究了基於庫侖力的太空飛行器相對運動動力學與控制問題。分析了太空飛行器在空間電漿環境中的被動充電現象，總結歸納了庫侖太空飛行器的關鍵技術，推導了庫侖太空飛行器的動力學模型；進而設計了相應的控制律並對控制效果進行了評估，以兩顆庫侖太空飛行器構成的太空飛行器編隊為例，探討了庫侖太空飛行器在空間任務中的套用。 其次，本項目還研究了電磁太空飛行器相對運動動力學與控制問題。重點對兩顆電磁太空飛行器的相對運動動力學與控制進行了深入探討。建立了星間電磁力和電磁力矩的計算模型，分析了地磁場對電磁編隊的干擾作用，推導了電磁太空飛行器近距離相對運動軌道與姿態模型，並對兩顆電磁太空飛行器編隊構型的保持與重構控制進行了研究。之後，本項目重點研究了電磁太空飛行器軌道姿態耦合問題。分析了電磁太空飛行器軌道姿態運動耦合的原因及特點，提出了軌道姿態解耦控制策略，提出採用動量輪和控制力矩陀螺進行姿態控制並設計了姿態穩定控制律，同時還採用對偶四元數法研究了基於電磁力和動量輪的六自由度的軌道姿態控制方法。 然後，本項目對多顆電磁太空飛行器相對運動控制問題進行了研究。提出採用基於高斯偽譜法的最優控制方法求解多顆電磁太空飛行器相對運動最優軌跡規劃問題，採用改進的人工勢能場法研究了多顆電磁太空飛行器編隊重構過程中的碰撞規避問題，基於多智慧型體控制理論，研究了多顆電磁太空飛行器相對運動一致性控制問題，鑒於構型重構過程中對電磁太空飛行器間距的要求，設計了一致性協同控制律。另外，研究表明，多顆非接觸力太空飛行器的相對運動控制問題，可以通過序列控制策略，轉化為多階段的運動規劃問題，並可以通過多階段最優控制方法求解。 最後，根據基於非接觸力的太空飛行器相對運動的特點，研究了其在軌協同運動控制方面的套用前景，通過數值仿真算例對非接觸力模型、近距離相對運動動力學模型和相對運動控制方法進行了仿真分析和驗證，並設計了相應的仿真軟體。
