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电动力绳系空间展开和位置保持控制方法研究

肖贺文  
【摘要】:近年来,遗留在空间中的太空垃圾已经成为了不可忽视的安全隐患,一个合理可行的加速碎片离轨的方法势在必行。电动力绳系统是一个新颖且有效的方法,当带电导线在地磁场中高速运动时,会感应出感应电动势。此时,系统可以和空间电离层中的带电粒子形成闭合回路,导电绳上有电流产生,与地磁场相互作用,产生的洛伦兹力使废弃航天器减速,具有很大的应用前景。但是电动力绳系也面临诸多困难,电动力绳系统的控制能力?分有限,对系统的展开和位置保持带来很大难度。针对上述问题,本文重点研究电动力绳系的空间展开、位置保持以及离轨效率分析等问题,主要包括以下几个方面的工作:首先,在对电动力绳系统的结构和原理分析的基础上,开展了包含电动力和其他摄动力的电动力绳系统二体轨道动力学建模,尤其对电动力绳系统中电动力的产生起到决定作用的地磁场和电离层进行了数学建模,给出了数值仿真过程中的环境参数。然后,针对在电动力绳系统空间展开的问题,研究了基于刚性杆假设的哑铃模型的电动力绳系统的空间展开动力学,通过将非线性系统在平衡位置线性化,给出系统的状态空间表达式,设计了状态反馈控制器并对稳定性进行了分析。进一步,以电动力绳张力为约束提出了改进的空间展开控制器设计。最后,通过数值仿真对控制器有效性进行了校验。接着,针对在电动力绳系统的空间位置保持的问题,在分析电动力对系统稳定性的影响的基础上,提出了通过控制电流通断抑制绳系振动的控制策略;进一步设计了基于扩展时滞自同步的控制器,实现了对面内角和面外角的周期性控制。最后通过数值仿真校验了控制器的可行性。最后,针对电动力绳系统的离轨过程进行了数值仿真和效率分析。在电动力作用的基础上,进一步考虑减速离轨过程中其他环境干扰摄动的影响,分别建立了大气模型、地球非球形摄动模型和地月三体摄动模型;进一步,设计了包括不同轨道高度、不同轨道倾角等多种仿真工况,通过数值仿真对电动力绳系统的离轨效率。


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