非典型小质量比空间绳系系统动力学与控制研究

At present, the research of space tether technology is still at the starting stage, remaining a lot of unsolved theoretical and practical problems, especially for the system with short tethers and small end satellites both in size and mass. The dynamics and control of these atypical tethered structures, e.g., tethered pico/nano-satellites are special and complicated because of the features such as high nonlinearity of the system, difficult tether tension keeping strategy, considerable affection of the environmental perturbations including electrodynamic forces, and large error of classical dynamic model. Moreover, the theories about combined structures with multiple tethers still remain on board due to the complexities of coupling dynamics and cooperative control of the tethers. Targeting on these unsolved scientific and technical difficulties, the proposed project mainly studies the theoretical basis and key technique of the atypical tethered system with small mass ratio. The major research contents include: dynamic modeling, analysis and control of universal space flexible tethered structure; dynamics and control of tethered system with small tether tension and large tether deformation; synthesis modeling and stable control of electrodynamic tethered system with short tether and small mass ratio; dynamics and control of space combined structure with multiple tethers. On the completion of the project, new theories, ideas and methods are provided for dynamics and control of space tethered structures. Efficient algorithms for the numerical simulation are also proposed, thus the theoretical and technical reserves for the space tethered system, especially the short tethered microsatellites are enhanced.

目前，空间系绳技术仍处于起步阶段，存在许多未解决的理论和实际问题，特别是对于绳长较短，绳端星质量较小的非典型小质量比绳系结构（如绳系皮星，纳星），系统的非线性明显、系绳张力保持困难、空间干扰力包括电动力的影响显著，传统模型假设误差较大，而其中由多绳组成的复合结构更因存在动力学耦合和协同控制问题在理论上尚未解决。本项目将针对这些科学问题和技术难点，对非典型小质量比绳系系统的理论基础和关键技术展开深入研究和探讨，研究内容包括：空间绳系结构柔性动力学建模、分析与控制；微张力、大变形绳系结构动力学与控制研究；小质量比电动力短绳的电力学与动力学综合建模及控制研究；空间多绳组合结构的动力学与控制问题研究。项目完成后，将为空间绳系结构动力学分析和控制系统设计提供新理论、新思路和新方法，对这类系统的数值仿真开发高效的算法，从而为空间系绳，特别是短绳微小卫星绳系系统的工程应用提供理论和技术储备。

绳系卫星技术利用其柔性连接，储存方便，可变尺度等特点，可以有效满足许多热点航天任务的要求，如空间碎片处理，非合作目标离轨等。但是由于绳系系统动力学非线性、强耦合，技术的广泛应用面临着许多挑战，此外国内外对于绳系结构建模的研究的主要成果集中于绳端星体与系绳质量比较大、绳长较长的典型绳系构型，现有成果适用范围有限。.本项目结合轨道动力学、姿态动力学、多柔体动力学和电动力学相关理论，对绳端卫星质量较小，绳长较短的非典型小质量比短绳空间结构动力学和控制问题进行系统研究。主要通过理论分析加数值仿真验证方式，取得如下成果：.对现有的绳系系统模型进行总结，并在此基础上建立连续体/离散质量通用性模型；采用了多种建模方式，包括Lagrange法、Kane法和递推算法等等，确保动力学模型在不同应用场合的精度，并编写了通用性仿真软件，适用于多种空间绳系任务。.针对绳系拖船系统的非线性耦合，设计了拖船姿态和绳摆联合控制方法，保证自由飞行过程中不会发生系绳缠绕和绳端星碰撞；设计了推力段协同控制方案，综合规划变轨推力、绳长速率以及拖船控制力矩，实现了拖船姿态、系绳长度和绳摆联合控制。.研究了绳系拖船系统推力规划问题，基于多尺度优化理论，设计了可变推力，使其在满足变轨要求同时，对绳摆的扰动最小；基于推力规划，在保证系绳不能松弛等约束的前提下，实现了拖拽目标的消旋。.研究了电动力绳系技术，在总结电动力绳研究成果，搭建电动力耦合的空间绳系系统模型的同时，将电动力应用于小质量比短绳系统。提出电动力辅助绳系拖船方案，通过引入电动力，有效消除系绳摆动，维持拖船的稳定。.探索绳系系统的深空探测应用。例如：提出借助空间系绳系绳辅助定位的小行星探测方法，有效扩展了小行星附近的稳定停泊位置，可以实现长时间观测。.本项目的研究成果丰富了绳系系统动力学与控制理论，并解决了若干实际技术问题，为我国当前和未来空间任务中绳系系统工程应用提供了理论储备和技术支持。