[發明專利]剛-柔耦合空間帶狀繩系系統的建模方法

有效

• 申請號: 201711103030.5
• 申請日: 2017-11-10
• 公開（公告）號: CN107908855B
• 公開（公告）日: 2021-02-05
• 發明（設計）人: 余本嵩;金棟平;代朋賓
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F30/15;G06F119/14
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所 32237
• 代理人: 賀翔

本發明公開了一種剛?柔耦合空間帶狀繩系系統的建模方法，包括：建立固結于地球質心O_E的慣性坐標系O_E?X_EY_EZ_E，其X_E軸指向升交點，Z_E軸垂直于軌道平面；建立一系列固結于系統離散單元的體坐標系o_i?x_iy_iz_i；以航天器質心o為原點再構建一個軌道坐標系o?xyz，其x軸指向航天器運動的反方向，y軸由地球質心O_E指向主星質心o。慣性坐標系O_E?X_EY_EZ_E用于建立并計算帶狀繩系系統動力學方程；體坐標系o_i?x_iy_iz_i用于分析離散單元的剛體運動；軌道坐標系o?xyz用于展現數值結果。將帶狀系繩均勻離散為n個系繩單元，以獲得接近真實系繩的模型。基于牛頓第二定律及動量矩定理，本發明充分考慮了空間帶狀系繩的拉伸、彎曲及扭轉特性，準確而有效地描述剛?柔耦合空間帶狀繩系系統的復雜動力學行為。

技術領域

本發明涉及航天器控制技術領域，具體是一種剛-柔耦合空間帶狀繩系系統的建模方法，該方法可準確描述空間帶狀系繩的拉伸、彎曲、扭轉等動力學特性，并有效地揭示航天器(及末端載荷)剛體與空間柔性帶狀系繩間的剛-柔耦合關系。

背景技術

為了節約空間資源和提高效率，人們通常利用導電的帶狀系繩代替空間繩系系統終端的電荷采集裝置，構成一個空間帶狀繩系系統，其在航天器離軌、碎片移除、軌道再推進等領域都有著廣泛的應用前景。值得注意的是，當帶狀系繩被置于空間環境并與航天器本體耦合時，由于沒有大氣阻尼，這導致其一旦受到攝動作用便會持續擺動，極易產生一系列極為復雜的非線性現象；同時，離子場-力-電-磁-熱多場耦合作用也可能使系統姿態運動能量不斷增加而導致系統失穩。所以，該空間帶狀繩系系統具有剛-柔耦合、強非線性、大變形等特點，目前已引起學者們的廣泛關注。譬如，Fujii等指出在T-Rex空間任務中已實現對一根寬25mm、厚50μm帶狀系繩的成功釋放。Mantellato等數值研究了一根數公里長帶狀系繩的釋放過程，并討論了該系繩末端載荷的姿態動力學及穩定性。Kunugi等利用歐拉角研究了帶狀系繩的彎曲及扭轉振動并通過一組地面實驗驗證了其的數值結果。Khan等則對航天器離軌過程中帶狀系繩的生存問題進行了深入探討。

通過對已有的研究成果關注可以發現，西方發達國家已開始了對帶狀繩系系統進行地面甚至空間實驗，但僅局限于可行性論證尚無法深刻揭示該系統的動力學現象。另外，在帶狀系繩離軌問題的研究中通常采用的都是理想帶狀繩模型，該模型忽略了系繩可能存在的拉伸、彎曲、扭轉等特性，因此在對本征問題的描述仍存在不足。

發明內容

針對于上述現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種剛-柔耦合空間帶狀繩系系統的建模方法，本發明的建模方法可精確刻畫衛星剛體運動及系繩拉伸、彎曲、扭轉等動力學特性。

為達到上述目的，本發明采用的技術方案如下：

本發明的一種剛-柔耦合空間帶狀繩系系統的建模方法，包括步驟如下：