空间绳系拖拽刚柔耦合多体系统轨道转移动力学与控制

Orbit transfer of tether drag technology is a much anticipated technology for deorbiting abandoned satellite and removing space debris. This investigation explores methods of establishing the dynamics model and determining the parameters for orbit transfer of multiple rigid-flexible coupling bodies. The on-orbit behavior characteristics of rigid-flexible coupling multibody will be revealed. The systematic control strategy, control theory and methods will be proposed and established for the safety, stability, accuracy and effectiveness transfer of the tether drag system. This investigation serves as an academic and technology foundation for space tether drag system.. The features and innovation of this project are as follows:. （1）The dynamics and control theory and methods of space tether drag system with coupled rigid-flexible bodies will be systematically established.. （2）The method and strategy of “first decoupling then cooperating” will be presented for characteristics of space tether drag system, such as under actuated, multiple target, etc. The optimal control will be founded on the basis of the feasible strategy. It avoids the complexity of integration control modeling and brings better realizability in engineering. . （3）The element of rope will be rebuilt to conform to kinematic behavior characteristic of space tether.

空间绳系拖拽转移技术在废弃卫星离轨、空间垃圾清除中有着重要且广泛的应用需求。本项目紧扣空间绳系拖拽这一新概念空间操作技术，研究空间绳系拖拽刚柔耦合多体系统轨道转移动力学建模和参数确定方法，认知系统在轨动力学行为特征，以空间绳系拖拽转移的安全、稳定、精准、高效为转移目标，提出、建立系统的控制策略、控制理论和方法，为我国空间绳系拖拽的工程实践奠定理论和技术基础。. 特色与创新体现在：. （1）将系统地建立空间绳系拖拽刚柔耦合多体系统的轨道转移动力学与控制理论方法；. （2）针对空间绳系拖拽刚柔耦合多体系统轨道转移控制的欠驱动、多目标特点，提出先解耦、后协同的控制策略和方法，在可行的基础上优化，避免了一体化控制建模复杂性，使方法在工程应用上有可实现性；. （3）将建立与空间绳系拖拽中系绳的力学行为特点更加符合的绳索单元。

空间绳系拖拽转移技术在废弃卫星离轨、空间碎片清除中有着重要且广泛的应用需求。本项目紧扣空间绳系拖拽转移这项新概念空间操作技术，开展了全面、系统的研究，对含有柔性附件的飞行体、柔性绳索体、自旋/章动体等的刚柔耦合多体系统轨道转移动力学模型建立和参数确定方法进行了研究，揭示其在轨动力学行为特征，以空间绳系拖拽转移的安全、稳定、精 准、高效为转移目标，提出、建立系统的控制策略、控制理论和方法，为我国空间绳系拖拽的工程实践奠定理论和技术基础。. 研究成果已发表论文10篇，含国内期刊论文4篇，国外SCI期刊论文4篇，国际会议论文2篇；发明专利2项，其中最为重要的研究进展和结果主要体现在以下三个方面：. ①系统地建立了空间绳系拖拽刚柔耦合多体系统的轨道转移动力学模型，实现了绳系组合体在轨运动的全状态模拟，揭示了绳系组合体拖拽转移中各体摆振性态与机理，首次阐明绳系组合体系统中最不稳定和难以控制的因素为目标星姿态摆动而不是组合体姿态摆振问题；. ②针对空间绳系拖拽刚柔耦合多体系统轨道转移控制的欠驱动、多目标特点，提出先解耦、后协同的控制策略和方法，所建立的“绳系柔性组合多姿/轨/系绳张力协同控制方法”保障了绳系组合体的安全、平稳控制，所建立的“间歇式脉冲伪连续推力离轨轨道控制方法”使所建立的系统理论方法能应用于工程实际，成果应用于某航天院所重大项目；. ③通过实验发现了系绳在低张力水平下的动态特性与静态力学特性的巨大差异，分析揭示了系绳动态张力形成机理，建立了一种可以表征系绳动态力学特性的三因素模型，改变了对柔绳力学特性的认识，所建立模型为柔绳建模仿真提供了一种准确的建模方式，对空间绳系系统、绳网等的研究具有重要的意义。