地球同步轨道分布式绳系太阳能电站系统动力学与控制

The solar power satellite (SPS) system offers the fabulously applied potentiality for the future power generation/transmission, so the dynamics and control of distributed tethered-SPS on the geo-synchronous orbit are the new and interesting scientific field at home and abroad. In this science foundation, the dynamics and control of the system will be investigated. Firstly, Based on the flexible tether model and the flexible composite laryer panel, a new dynamical formulation will be developed, which can be utilized to describe the coupling dynamics of the orbital and attitude motion of the bus system, the attitude motion and the vibration of the tethered-subpanel and the vibration of the tethers. Secondly, in order to deeply investigate the dynamical characteristics of the system , the key parameters relevant to the system stability will be studied by structure-preserving geometric numerical integration of the uncontrolled dynamics. Finally, in order to carry out the integration control on the orbital motion, station-keeping, and vibration of tethers, simultaneously, a fast, precise, real-time and easy-operation nonlinear controller will be designed by combining the independent control methods on the orbital and attitude control of the bus system, the attitude and vibration control of the tethered-subpanel and the vibration control of tethers. Furthermore, the dynamics and control during reconfiguration stage can be considered. The above work will not only provide the reliably theoretic and practical foundation for the sustainable development of our nation's power generation and space exploration, but also facilitate the fundamental theories and applications of dynamics and control.

空间太阳能电站可能引发一场新的技术和产业革命，作为未来重要的能源方式有着广阔的应用前景。研究地球同步轨道分布式绳系太阳能电站系统的动力学与控制，在国内外都是新课题。本项目拟基于柔性系绳模型及柔性复合材料夹层板模型，建立描述卫星平台轨道与姿态运动、绳系子板相对卫星平台的姿态运动以及绳系子板振动与系绳振动的刚柔耦合动力学模型；采用保结构几何数值积分方法，通过无控制力作用下系统动力学的数值仿真，研究影响系统稳定性的各种关键因素，深入了解整个系统运动的特点；结合卫星平台轨道与姿态控制、绳系子板姿态与振动以及系绳振动的控制方法，探索高效、精密、实时、易行的非线性系统控制方法，实现对轨道运动，构型保持、重构以及系绳振动的集成控制。为促进我国能源领域和航天领域的可持续发展提供理论与技术储备，促进动力学与控制的基础理论与应用研究。

太阳能是一种重要的清洁能源，对未来整个人类的可持续发展有着重要的意义。作为太阳能采集的一种重要手段，空间太阳能电站有着广阔的应用前景。目前国内外对于空间太阳能电站动力学与控制的研究依然较少，与地球同步轨道绳系太阳能电站系统相关的研究就更少了。本项目取得了如下几项主要研究成果：1）针对地球同步轨道绳系太阳能电站在轨运行的动力学问题，建立考虑了系绳的柔性、太阳能电池子板的姿态运动以及编队系统构型与轨道运动耦合等特性的复杂绳系编队系统的动力学模型。并对系统在无扰动及存在初始太阳能子板姿态误差情况进行动力学仿真，分析了存在姿态误差时系统的稳定性，并提出一种利用系绳收放调节子板姿态的方法。2）针对平动点附近旋转绳系卫星编队系统，建立了基于Hill限制性三体问题的假设并且耦合姿态和轨道运动的数学模型。利用数值方法研究了旋转三角形绳系卫星编队系统在编队保持与构型重构过程中，不同的旋转速率、系绳收放速率，以及系绳长度对系统动态稳定性的影响。并对自旋轮辐状编队系统提出了一种轨道跟踪控制方法。3）以挠性空间结构为控制对象，提出一种新的、基于LQ（Linear Quadratic）最优线性控制和分散控制的控制力求解形式并在数值仿真中体现良好的效果。4）基于层合板理论，建立四节点十四自由度的压电层合板单元有限元模型，进一步得到含压电片板结构有限元模型，进行对太阳能子板的模态分析。根据模态分析结果设计压电片配置方案，并采用模糊自适应 PID控制方法进行振动控制仿真并取得很好的控制效果。5）针对含约束的动力学系统，在哈密顿体系下，提出一种新的辛方法来离散DAEs方程，该方法使DAEs方程中的代数方程在每个时间步上精确满足，避免了约束违约问题，达到了保结构以及长时间数值稳定的效果。通过可展开桁架和绳系卫星的系绳释放的简化算例，表明该数值方法的有效性，可利用该方法进一步研究空间可展开结构的动力学行为。 6）通过利用ANSYS与FEMAP，分析了空间绳系太阳能电站系统的热变形与热致振动对太阳能电池板的影响。