《非典型小質量比空間繩系系統動力學與控制研究》是依託北京航空航天大學，由鐘睿擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：非典型小質量比空間繩系系統動力學與控制研究
- 依託單位：北京航空航天大學
- 項目負責人：鐘睿
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
目前，空間繫繩技術仍處於起步階段，存在許多未解決的理論和實際問題，特別是對於繩長較短，繩端星質量較小的非典型小質量比繩繫結構（如繩系皮星，納星），系統的非線性明顯、繫繩張力保持困難、空間干擾力包括電動力的影響顯著，傳統模型假設誤差較大，而其中由多繩組成的複合結構更因存在動力學耦合和協同控制問題在理論上尚未解決。本項目將針對這些科學問題和技術難點，對非典型小質量比繩系系統的理論基礎和關鍵技術展開深入研究和探討，研究內容包括：空間繩繫結構柔性動力學建模、分析與控制；微張力、大變形繩繫結構動力學與控制研究；小質量比電動力短繩的電力學與動力學綜合建模及控制研究；空間多繩組合結構的動力學與控制問題研究。項目完成後，將為空間繩繫結構動力學分析和控制系統設計提供新理論、新思路和新方法，對這類系統的數值仿真開發高效的算法，從而為空間繫繩，特別是短繩微小衛星繩系系統的工程套用提供理論和技術儲備。
結題摘要
繩系衛星技術利用其柔性連線，儲存方便，可變尺度等特點，可以有效滿足許多熱點航天任務的要求，如空間碎片處理，非合作目標離軌等。但是由於繩系系統動力學非線性、強耦合，技術的廣泛套用面臨著許多挑戰，此外國內外對於繩繫結構建模的研究的主要成果集中於繩端星體與繫繩質量比較大、繩長較長的典型繩系構型，現有成果適用範圍有限。 本項目結合軌道動力學、姿態動力學、多柔體動力學和電動力學相關理論，對繩端衛星質量較小，繩長較短的非典型小質量比短繩空間結構動力學和控制問題進行系統研究。主要通過理論分析加數值仿真驗證方式，取得如下成果： 對現有的繩系系統模型進行總結，並在此基礎上建立連續體/離散質量通用性模型；採用了多種建模方式，包括Lagrange法、Kane法和遞推算法等等，確保動力學模型在不同套用場合的精度，並編寫了通用性仿真軟體，適用於多種空間繩系任務。 針對繩系拖船系統的非線性耦合，設計了拖船姿態和繩擺聯合控制方法，保證自由飛行過程中不會發生繫繩纏繞和繩端星碰撞；設計了推力段協同控制方案，綜合規劃變軌推力、繩長速率以及拖船控制力矩，實現了拖船姿態、繫繩長度和繩擺聯合控制。 研究了繩系拖船系統推力規劃問題，基於多尺度最佳化理論，設計了可變推力，使其在滿足變軌要求同時，對繩擺的擾動最小；基於推力規劃，在保證繫繩不能鬆弛等約束的前提下，實現了拖拽目標的消旋。 研究了電動力繩系技術，在總結電動力繩研究成果，搭建電動力耦合的空間繩系系統模型的同時，將電動力套用於小質量比短繩系統。提出電動力輔助繩系拖船方案，通過引入電動力，有效消除繫繩擺動，維持拖船的穩定。 探索繩系系統的深空探測套用。例如：提出藉助空間繫繩繫繩輔助定位的小行星探測方法，有效擴展了小行星附近的穩定停泊位置，可以實現長時間觀測。 本項目的研究成果豐富了繩系系統動力學與控制理論，並解決了若干實際技術問題，為我國當前和未來空間任務中繩系系統工程套用提供了理論儲備和技術支持。
