[發(fā)明專利]一種失效充液航天器的繩系拖曳消旋與離軌方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010212244.1
• 申請(qǐng)日: 2020-03-24
• 公開（公告）號(hào): CN111392069B
• 公開（公告）日: 2021-04-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 祁瑞;姚傅禎;姜澤華;劉禹
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京理工大學(xué);上海航天控制技術(shù)研究所
• 主分類號(hào): B64G1/24
• 分類號(hào): B64G1/24;G05D1/08
• 代理公司: 北京正陽(yáng)理工知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11639
• 代理人: 張利萍

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有空間碎片清理過程存在清理效率低的問題，提供一種失效充液航天器的繩系拖曳消旋與離軌方法。該方法利用繩系拖曳系統(tǒng)，考慮了液體晃動(dòng)和柔性繩的特性，在三維空間中建立了系統(tǒng)模型，并針對(duì)該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種姿軌一體化控制方法，僅通過拖船推進(jìn)器實(shí)現(xiàn)拖曳空間碎片的同時(shí)穩(wěn)定碎片姿態(tài)，有效地將帶燃料的空間碎片穩(wěn)定拖曳至預(yù)定軌道，能夠高效率地清除空間中帶有剩余燃料的大型空間碎片。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種繩系拖曳離軌方法，尤其涉及一種失效充液航天器的繩系拖曳消旋與離軌方法，適用于帶剩余液體的大型空間碎片清除過程，屬于航空航天技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

近幾十年隨著人類對(duì)太空的不斷探索，近地空間技術(shù)為人們?cè)谕ㄐ拧?dǎo)航、天氣預(yù)測(cè)、深空探測(cè)等方面帶來極大便利，地球軌道資源日益受到各國(guó)的重視。但是人類的空間活動(dòng)受到了空間碎片的威脅，其與航天器的對(duì)撞速率能夠達(dá)到10km/s，破壞力巨大。在軌航天器會(huì)被較大的空間碎片直接摧毀，而較小的空間碎片也會(huì)對(duì)航天器表面甚至內(nèi)部造成難以修復(fù)的損傷，縮短航天器使用壽命。空間碎片大量堆積降低了人們對(duì)空間資源的利用率，并對(duì)載人航天器的飛行安全造成嚴(yán)重威脅，尤其對(duì)于長(zhǎng)期在軌的航天器。國(guó)際空間站為躲避太空高速碎片,已經(jīng)多次變軌。大型的空間碎片若被迫再入大氣層，可能還會(huì)對(duì)地面的人類生存空間和自然生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成巨大威脅。Donald J.Kessler在1978年提出凱斯勒現(xiàn)象(Kessler Syndrome)，預(yù)示隨著空間碎片的數(shù)量增加，其碰撞概率會(huì)突增，進(jìn)而產(chǎn)生更多的碎片。若達(dá)到一定數(shù)量級(jí)，這種級(jí)聯(lián)效應(yīng)會(huì)致使近地空間報(bào)廢。實(shí)際上，2009年美國(guó)銥星33未能躲避已失效的俄羅斯宇宙2251，兩者的碰撞制造了數(shù)千個(gè)大大小小的空間碎片。這似乎證實(shí)了空間碎片之間碰撞的凱斯勒現(xiàn)象已經(jīng)被觸發(fā)。Liou等通過數(shù)值模擬證明，為了實(shí)現(xiàn)安全穩(wěn)定的近地軌道環(huán)境，每年必須主動(dòng)清除至少五個(gè)大型空間碎片。

目前用于主動(dòng)碎片清除(ADR)的所有技術(shù)中，繩系拖曳“Tethered Space-tug(TST)”概念是最有前途的技術(shù)之一。繩系拖曳系統(tǒng)是近年衍生于空間繩系衛(wèi)星系統(tǒng)的一種定義，其在衛(wèi)星捕獲、深空探測(cè)及大型空間碎片清理等方面有廣闊的工程應(yīng)用前景。絕大多數(shù)TST系統(tǒng)研究中都將碎片視為純剛體，而現(xiàn)今的絕大多數(shù)航天器使用的是液體推進(jìn)劑。隨著航天任務(wù)復(fù)雜程度提升，液體推進(jìn)劑的質(zhì)量占比也不斷提升，因此TST系統(tǒng)中大型空間碎片的液體殘余情況應(yīng)當(dāng)被考慮。2019年4月，波音公司的大容量通信衛(wèi)星IS-29e在服務(wù)壽命剛達(dá)到20％的時(shí)候就因遭遇了推進(jìn)系統(tǒng)故障而失聯(lián)。其油箱中的殘余燃料將對(duì)清除任務(wù)帶來不少麻煩。大量液體的晃動(dòng)會(huì)產(chǎn)生較大的干擾力矩和力，若超過系統(tǒng)調(diào)節(jié)的范圍，將會(huì)造成系統(tǒng)控制失效或結(jié)構(gòu)損壞。柔性繩和液體晃動(dòng)帶來的強(qiáng)非線性和強(qiáng)耦合性，使得系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)難以預(yù)測(cè)。目前僅在先技術(shù)[1](Aslanov V S,Yudintsev V V.The motionoftethered tug–debris system with fuel residuals[J].Advances in SpaceResearch,2015)中將液體晃動(dòng)考慮進(jìn)了TST系統(tǒng)，但并沒有考慮柔性繩的特性，在實(shí)際拖曳過程中，柔性繩的特性對(duì)系統(tǒng)影響較大，所以上述模型難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；且未考慮該系統(tǒng)拖曳過程中的控制，在實(shí)際拖曳過程中碎片的旋轉(zhuǎn)可能導(dǎo)致系繩纏繞或斷裂，若不對(duì)拖曳過程中的系統(tǒng)加以控制，則任務(wù)成功率極低。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有空間碎片清理過程存在清理效率低的問題，提供一種失效充液航天器的繩系拖曳消旋與離軌方法。該方法利用繩系拖曳系統(tǒng)，考慮了液體晃動(dòng)和柔性繩的特性，在三維空間中建立了系統(tǒng)模型，并針對(duì)該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種姿軌一體化控制方法，僅通過拖船推進(jìn)器實(shí)現(xiàn)拖曳空間碎片的同時(shí)穩(wěn)定碎片姿態(tài)，有效地將帶燃料的空間碎片穩(wěn)定拖曳至預(yù)定軌道，能夠高效率地清除空間中帶有剩余燃料的大型空間碎片。

本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：