[發明專利]一種失效衛星繩系回收的擺動抑制方法

有效

• 申請號: 202011541247.6
• 申請日: 2020-12-23
• 公開（公告）號: CN112597587B
• 公開（公告）日: 2022-06-10
• 發明（設計）人: 祁瑞;姚傅禎;湯亮
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G06F30/15
• 分類號: G06F30/15;G06F30/17;G06F30/20;B64G1/66;B64G4/00;G06F111/10;G06F119/14
• 代理公司: 北京正陽理工知識產權代理事務所(普通合伙) 11639
• 代理人: 張利萍

本發明的目的是為了解決失效衛星捕獲后系繩回收激發系統振動的問題，提供了一種失效衛星繩系回收的擺動抑制方法。失效衛星在被繩網捕獲后，與拖船、系繩構成了繩系拖曳系統。本發明建立了三維空間下的繩系拖曳系統精細模型，系繩采用一系列由彈簧和阻尼器串聯的珠點構成，通過減少珠點數量和改變末端繩段參數來模擬收繩過程中系繩的變化。針對該類柔性航天器系統，提供了一種反饋波動控制方法，通過吸收返回至拖船的波有效抑制系統的擺動。反饋波動控制能夠在回收系繩的同時對失效衛星進行拖曳，實現姿軌一體化控制，并在收繩完成后迅速使系統鎮定，完成清除任務。

技術領域

本發明涉及一種繩系拖曳穩定控制方法，尤其涉及一種失效航天器的繩系拖曳收繩的擺動抑制方法，適用于空間碎片清除過程，屬于航空航天技術領域。

背景技術

從1957年第一顆人造地球衛星升空以來,截至2016年底,人類共進行了5000余次航天器發射活動,把6700余顆航天器送入地球軌道,在所有發射的航天器中只有近1400個航天器在有效服役,而其他航天器因喪失功能而變成了空間垃圾。260余次在軌航天器或火箭解體/爆炸/撞擊(破碎)事件,產生了數量眾多的太空垃圾，證實了凱斯勒現象。隨著SpaceX和oneweb等公司的超大規模低軌星座的快速發展，近地空間變得愈加的擁堵與危險。這些空間碎片不僅會干擾地面上人員的天文觀測活動，而且其本身具有高速性(≥7.9km/s)，因此極小的空間碎片也會具有較大的動能，在撞擊時造成極大的破壞，嚴重干擾后續的發射與入軌任務，同時威脅在軌航天器的安全。通過數值模擬證明，為了實現安全穩定的近地軌道環境，每年必須主動清除至少五個大型空間碎片。

繩系拖曳系統是目前最有應用前景的主動清除技術之一，具備對目標適應性好、安全性高等優勢。繩系拖曳系統是典型的二體繩系衛星系統，但是在經典的啞鈴模型中，碎片姿態和系繩柔性的影響經常被忽略。因此發展出了珠鏈模型，利用一系列由阻尼彈簧串聯的珠點模擬力波在系繩中的傳遞。由于繩系系統無法實現對碎片目標的精細操作，在捕獲后應當通過回收系繩，逐步縮短拖船與目標之間的距離，直至拖船上機械臂完成對碎片的牢固捕獲。然而，由于繩系系統的收繩過程是固有不穩定的，會激發系繩的擺動，進一步引起目標和拖船的擺動，容易造成安全隱患。例如，拖船上機械臂與擺動的系繩或目標相撞受損，產生更多小碎片等。

發明內容

本發明的目的是為了解決繩系拖曳系統收繩過程引起系統振蕩甚至失穩的問題，提供一種失效衛星繩系回收的擺動抑制方法。該方法利用繩系拖曳系統，考慮了碎片姿態和柔性繩的特性，在三維空間中建立了珠鏈模型，采用數量可變的繩結點來模擬收繩過程中系繩長度和質量的變化，并針對該系統設計了一種閉環波動控制方法，僅通過拖船推進器實現拖曳空間碎片的同時抑制系繩回收引起的振動，有效地將空間碎片穩定拖曳至預定軌道。

本發明的目的是通過下述技術方案實現的：

本發明公開的一種失效衛星繩系回收的擺動抑制方法，通過在拖船上的飛爪或繩網對碎片進行捕獲后，回收系繩的過程中，通過建立由一系列半彈簧阻尼系繩連接珠點構成的三維繩系拖曳系統物理模型，然后利用牛頓-歐拉法推導出動力學方程，給出了收繩過程中系統結構變化規律。并通過閉環波動控制方法，在拖曳離軌的同時，利用拖船推進器實現系繩擺振抑制和碎片姿態控制。該方法具有可操作性強，成本低，效率高的特點，適用于單繩拖曳系統。

本發明公開的一種失效衛星繩系回收的擺動抑制方法，包括如下步驟：

步驟一：通過牛頓-歐拉方法建立繩系拖曳系統回收階段的動力學精確模型；

繩系拖曳系統由拖船、系繩和空間碎片組成。拖船視為質點，碎片視為剛體。系繩采用一系列由阻尼彈簧串聯的珠點組成的珠鏈模型。系繩一端的節點B₁連接在碎片上，另一端的節點B_N連接在拖船上，所述節點B_N與拖船質心O_t重合。