《電動帆太空飛行器姿態動力學與控制研究》是依託北京理工大學，由胡權擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：電動帆太空飛行器姿態動力學與控制研究
- 依託單位：北京理工大學
- 項目負責人：胡權
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
電動帆是一種新興的不消耗工質的推進方式，其通過建立巨大的正電勢電場改變太陽風中正電荷粒子的運動方向，從而與太陽風發生動量交換，獲得推力。電動帆的主要組件是約100根15~20km長的繞中心體均勻分布的高電勢導線，導線端部帶有輔助導線用於姿態控制，整個系統通過自旋維持展開，屬於典型的大尺度柔性多體系統。電動帆能夠實現低成本的航天任務，目前已有眾多基於電動帆的軌道設計；但是鮮見系統姿態動力學和控制研究，該問題涉及到多個理論和技術難點：電動帆導線易發生大範圍變形、與太陽風通過庫侖力耦合，系統釋放展開過程複雜，自旋速率與自旋面方向存在耦合，導線數量眾多且作用機理複雜。針對以上問題，本項目將分別研究：單根高電勢導線在太陽風環境中的動力學建模；電動帆展開過程精細建模與分析；電動帆等效簡化模型；分別設計系統自旋控制律，導線電勢操縱律。本研究將完善現有電動帆理論，也將豐富多體系統動力學和控制領域的成果。
結題摘要
電動帆是一種新興的不消耗工質的推進方式，其通過建立巨大的正電勢電場改變太陽風中正電荷粒子的運動方向，從而與太陽風發生動量交換，獲得推力。電動帆的主要組件是約100根15~20km長的繞中心體均勻分布的高電勢導線，導線端部帶有輔助導線用於姿態控制，屬於典型的大尺度柔性多體系統。本項目針對該系統的姿態動力學與控制問題所涉及到的多個理論和技術難點，開展了深入的研究，主要研究內容與進展如下： 建立了多種電動帆導線運動模型與電動帆整體姿態動力學模型，並對導線運動和電動帆姿態運動模式進行分析。研究表明：電動帆自旋速率處於規定的上下界間時導線形變為慢變數，且導線形變造成的其兩端的相對運動可分解為自旋面面內的運動及面外擺動分別考慮；當帆面垂直於太陽風時帆面面外擺動周期與自旋角速率成反比、擺動幅值與自旋角速率的平方成反比。 研究了基於輔助執行機構的電動帆姿態控制問題，驗證了採用輔助繩系對主導線和電動帆構型實現被動控制的可行性，設計了電動帆的姿態控制律、執行機構配置方案和操縱律。研究表明：通過導線末端小推力器與主導線電勢變化結合，以及導線末端小推力器與小型太陽帆結合，這兩種執行機構配置方案可以實現電動帆姿態跟蹤控制即自旋面指向及自旋速率控制。 綜上，本項目研究了電動帆這類複雜多體太空飛行器的姿態運動機理、驗證了通過輔助執行機構對電動帆姿態進行控制的可能，完善了電動帆理論體系，為這一新興無工質推進方式的實際套用提供理論基礎。在本項目的支持下，總計發表SCI期刊論文8篇，國際學術會議論文4篇，國內學術會議論文1篇；培養碩士生1人，博士生1人。
