柔性繩系衛星釋放過程的非線性衝擊與控制

《柔性繩系衛星釋放過程的非線性衝擊與控制》是依託南京航空航天大學，由余本嵩擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：柔性繩系衛星釋放過程的非線性衝擊與控制
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：余本嵩
• 依託單位：南京航空航天大學

項目摘要

作為人類認知太空的一種新型飛行器，繩系衛星在深空探測、空間科學等領域都具有重要的研究價值，已受到人們的廣泛關注。本項目將關注於繫繩柔性及繩索釋放過程中星繩間的衝擊效應，研究繩系衛星系統的非線性行為及控制方法。首先，計入繫繩柔性，建立一個多自由度繩系衛星系統動力學模型，對釋放過程中繫繩構形變化及控制策略進行研究。然後，深入討論主星剛體與柔性繩索間存在的摩擦，尤其是釋放末時刻發生的非線性衝擊，研究系統由此而可能產生的分岔、混沌等一系列非線性現象，同時，設計一套繫繩釋放張力控制律對主星耦合姿態進行控制。另外，通過設計一套星繩耦合動力學測試系統，對衝擊作用下柔性繫繩與主星剛體間的耦合位姿回響進行地面仿真實驗研究。項目研究成果將對未來我國繩系衛星的在軌飛行實踐有著重要的現實指導意義。

結題摘要

本項目研究了繩系衛星系統的非線性動力學行為及姿態控制方法。基於繫繩剛性桿模型，通過凱恩方法建立具有立方非線性的面內短距繩系衛星動力學方程，研究發現，短距繩系衛星中子星在平衡位置具有3次共振現象其與系統的概周期運動共存。而考慮了太空飛行器剛體姿態，通過Poincaré截面、功率譜密度、最大Lyapunov指數等數值方法可對系統的非線性特性進行分析，並利用Melnikov方法得到太空飛行器剛體發生混沌運動的閾值邊界。更進一步，充分考慮繫繩的柔性及粘彈性，研究J2攝動、大氣阻尼、太陽光壓、熱效應及軌道偏心率等各種攝動因素對複雜系統俯仰運動的影響。特別指出，隨Kepler軌道偏心率變化，系統會發生分岔，出現周期、概周期運動及混沌現象。在姿態控制方面，項目基於Lyapunov穩定性理論，獲得橢圓軌道下繫繩釋放和回收的速率控制律及穩定性條件，繼而提出一套能使繫繩沿期望俯仰角進行漸近穩定釋放/回收方法。隨後，通過建立了一套更接近真實系統的繩系太空飛行器剛-柔耦合動力學模型，研究了繩索釋放對太空飛行器本體姿態的影響，並通過Kissel控制律實現了柔性繩索的穩態釋放。另外，本項目設計了一套空間六自由度氣浮隨動運動平台，可以模擬空間微重力環境下太空飛行器姿態運動及太空飛行器對接、轉位等任務。還設計了一套小型繩系衛星彈射機構，能夠實現繩系衛星的彈射釋放及回收，且具有結構簡單、工作性能穩定性好、可重複多次進行繩系衛星仿真試驗的特點。基於以上設計機構，開展了利用機械臂對繩系衛星釋放控制過程實驗。同時，本項目對空間電動力繩系衛星及空間多體繩系衛星編隊系統進行了總結並指出有待進一步探究的科學與技術問題。