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新概念航天器推进技术发展趋势是高性能、长寿命、尽量利用空间自然资源作为动力源和尽量不携带或者少携带初始推进剂。基于化学推进和电推进的航天器推进技术已经得到比较广泛应用,基于太阳帆、微波推进、等离子推进、激光推进、先进组合循环和脉冲爆震技术的航天器推进技术正处于演示验证阶段,而基于电动系绳推进、核推进、反物质推进的航天器推进技术尚处于研究探索时期。
基于空间电动绳系技术的航天器轨道推进不需要推进剂,具有发射成本低、可长期在轨运行等优点,近年来在航天界受到了广泛的关注。目前,国内外关于空间电动绳系系统在连续电磁力作用下的研究主要集中在系统轨道运动特性方面,而针对系绳动态特性以及对主航天器姿态影响和系统推进策略等方面进行系统性研究尚未见到公开发表的研究成果。开展这方面的研究有助于进一步探讨其应用于航天器轨道推进的可行性,为空间电动绳系系统设计提供理论依据。
本文针对空间电动绳系系统推进过程中其系统轨道运动特性、系绳动态特性以及对主航天器姿态的影响和推进策略等三个方面开展研究。具体为:
一、空间电动绳系系统动力学建模和分析
在分析系统的空间环境和受力情况的基础上,对系统模型进行简化,建立系统的轨道动力学模型。
为了分析影响轨道运动的系统因素,针对不同系绳长度和不同子母航天器质量进行了数值计算和分析,揭示了系统轨道运动规律、系绳动态特性及系绳张力的分布及变化规律,分析了系统参数变化对其轨道运动、系绳动态特性和系绳张力的影响,为系统设计提供了理论依据。
二、主航天器姿态动力学建模和分析
把系绳拉力对主航天器产生的力矩看作外力矩,对主航天器姿态进行了动力学建模,通过数值计算,分析了运动中主航天器姿态的变化规律,同时还分析了系统参数变化对其姿态的影响,为系统设计提供了依据。
三、轨道推进策略方法研究
从耗能和目标精度两方面考虑,针对不同的情况,论文给出了三种轨道推进策略:最优算法推进、恒流滑翔推进和恒流“加油一刹车”推进。第一种采用最优控制理论,通过引入哈密顿函数,采用共轭梯度算法,求解在时间约束和推进高度约束条件下相应的性能指标,从而得到可行的、最优的参考轨迹,达到制导目标。由于存在单方向搜索目标函数可能不下降的问题,所以论文中采用在每步搜索时采用正负两个方向的搜索方式确定搜索方向,采用步长因子调试法确定最佳搜索步长。第二种在没有时间约束的条件下,采用恒流滑翔控制策略,寻找在控制变量的约束范围内和计算精度在给定的情况下,性能指标最小的控制策略,这种推进策略实现起来显然比第一种要简单,实现的关键在于断电时刻和电流大小的确定。第三种是采用恒流“加油-刹车”的电流策略,搜索允许条件下性能指标最小的控制策略。通过算例可知,从算法的收敛速度和目标精度方面而言,这三种都是有效的轨道推进策略。最后从适用条件、目标精度、可操作性、耗电量和对轨道参量的影响等方面对三种控制策略进行了比较。
综上,论文中不仅给出了系统运动的一系列规律性认识,更重要的是为系统的设计提供了理论支撑。在系绳直径设计、长度设计、系绳选材等方面给出了建议。另外在给定轨道机动任务时,从耗能角度考虑,为如何选择电流大小和通电策略给出了答案。