空間繩網柔性多體動力學與控制研究

《空間繩網柔性多體動力學與控制研究》是依託中國人民解放軍國防科技大學，由張青斌擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：空間繩網柔性多體動力學與控制研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：張青斌
• 依託單位：中國人民解放軍國防科技大學

中文摘要

空間繩網具有重量輕、成本低、大變形和套用靈活等特點，為發展在軌抓捕或構建新型空間結構可提供獨特思路。空間繩網的摺疊、展開和軌道運動等涉及到變結構、柔性大變形和剛柔耦合等非線性動力學行為，亟需發展新的柔性多體動力學建模與控制方法。本項目以空間在軌抓捕和軌道轉移為套用背景，研究無旋繩網從摺疊到展開過程的變質量、時變結構動力學特性；基於繩索粘彈性本構模型和絕對節點坐標法，建立旋轉繩網的柔性多體動力學模型，研究繩網展開控制與擾動力作用下的運動穩定性問題；建立繩系複合體軌道轉移過程中的剛柔耦合動力學模型，研究推力與繫繩張力協同控制的最佳化策略。研究工作將為空間繩網的封裝、展開控制和繩系複合體運動控制提供分析方法和理論支撐。

結題摘要

空間繩網是典型的柔性多體結構系統，其工作過程具有複雜的動力學特性，涉及到非線性動力學、變質量動力學以及多體系統動力學等理論難題。 本項目對空間繩網捕獲與離軌任務中涉及到的空間無旋繩網系統、空間旋轉繩網系統和繩系複合體這三個研究對象開展了動力學與控制等方面的研究與試驗研究。針對地面環境和太空環境下的不同受力特性，推導了空間無旋繩網系統集中質量模型，並通過地面試驗驗證了仿真模型的可信度。基於正交試驗設計對空間無旋繩網進行了系統參數靈敏度分析，確定了各設計參數的主次順序和顯著程度，剔除了低靈敏度的參數，將設計參數精簡為發射速率和發射張角，性能指標精簡為最大展開時間和最大展開距離。空間旋轉繩網系統的展開過程分為網臂展開和繩網展開兩個階段，根據兩個階段各自不同的特點分別建立了系統動力學模型並進行了仿真。針對繩網捕獲後的繩系複合體，將拖船與目標視為剛體，繩網等效為多條柔性吊帶，建立了多點吊掛雙剛體模型，並推導了包含系統質心軌道運動、兩體相對運動、太空飛行器姿態運動以及拖船質量變化的系統動力學方程。將繩系複合體離軌控制分為消旋、轉向和拖曳三個階段，並基於PD反饋和LQR（Linear Quadratic Regulator）等控制方法，針對各個階段依次開展了控制律設計與仿真的研究。在系統設計、仿真分析的基礎上，提出了空間繩網系統地面原理試驗和空中投放試驗的總體技術方案，製作樣機並成功進行試驗，結果與仿真結果吻合。