柔性绳系卫星释放过程的非线性冲击与控制

Tethered satellites, satellites recently innovated for space probe, have become a prominent tool in scientific studies of space and outer space, which have already been focused on widely. The project will pay attention to tether's flexibility and impact of flexible tether on the mother satellite body during deployment, and study nonlinear dynamics and control of tethered satellite systems. First, taking tether's flexibility into account, a dynamical model with multi degrees-of-freedom for tethered satellite systems is established. Then, the configuration change and control strategies for the flexible tether during deployment are approached. Second, the friction between the mother satellite body and flexible tether, as well as nonlinear impact at the end of deployment, is researched deeply. It is noted that the friction and impact in the system is likely to yield a number of nonlinear phenomena, such as bifurcation and chaos. So, it is necessary to design a set of tension control law to relieve the influence of the tether deployment on the coupling attitude of the mother satellite body. Finally, with the help of a test system designed for coupling dynamics of satellite-tether, the influence of the impact on the coupling displacement and attitude of the flexible tether and mother satellite body is simulated on the ground. Without doubt, the achievement of the project will play an important role in orbital flight regarding tethered satellites for our country in the future.

作为人类认知太空的一种新型飞行器，绳系卫星在深空探测、空间科学等领域都具有重要的研究价值，已受到人们的广泛关注。本项目将关注于系绳柔性及绳索释放过程中星绳间的冲击效应，研究绳系卫星系统的非线性行为及控制方法。首先，计入系绳柔性，建立一个多自由度绳系卫星系统动力学模型，对释放过程中系绳构形变化及控制策略进行研究。然后，深入讨论主星刚体与柔性绳索间存在的摩擦，尤其是释放末时刻发生的非线性冲击，研究系统由此而可能产生的分岔、混沌等一系列非线性现象，同时，设计一套系绳释放张力控制律对主星耦合姿态进行控制。另外，通过设计一套星绳耦合动力学测试系统，对冲击作用下柔性系绳与主星刚体间的耦合位姿响应进行地面仿真实验研究。项目研究成果将对未来我国绳系卫星的在轨飞行实践有着重要的现实指导意义。

本项目研究了绳系卫星系统的非线性动力学行为及姿态控制方法。基于系绳刚性杆模型，通过凯恩方法建立具有立方非线性的面内短距绳系卫星动力学方程，研究发现，短距绳系卫星中子星在平衡位置具有3次共振现象其与系统的概周期运动共存。而考虑了航天器刚体姿态，通过Poincaré截面、功率谱密度、最大Lyapunov指数等数值方法可对系统的非线性特性进行分析，并利用Melnikov方法得到航天器刚体发生混沌运动的阈值边界。更进一步，充分考虑系绳的柔性及粘弹性，研究J2摄动、大气阻尼、太阳光压、热效应及轨道偏心率等各种摄动因素对复杂系统俯仰运动的影响。特别指出，随Kepler轨道偏心率变化，系统会发生分岔，出现周期、概周期运动及混沌现象。在姿态控制方面，项目基于Lyapunov稳定性理论，获得椭圆轨道下系绳释放和回收的速率控制律及稳定性条件，继而提出一套能使系绳沿期望俯仰角进行渐近稳定释放/回收方法。随后，通过建立了一套更接近真实系统的绳系航天器刚-柔耦合动力学模型，研究了绳索释放对航天器本体姿态的影响，并通过Kissel控制律实现了柔性绳索的稳态释放。另外，本项目设计了一套空间六自由度气浮随动运动平台，可以模拟空间微重力环境下航天器姿态运动及航天器对接、转位等任务。还设计了一套小型绳系卫星弹射机构，能够实现绳系卫星的弹射释放及回收，且具有结构简单、工作性能稳定性好、可重复多次进行绳系卫星仿真试验的特点。基于以上设计机构，开展了利用机械臂对绳系卫星释放控制过程实验。同时，本项目对空间电动力绳系卫星及空间多体绳系卫星编队系统进行了总结并指出有待进一步探究的科学与技术问题。