一种用于清除空间碎片的绳系拖曳系统及方法技术方案

本发明专利技术公开的一种用于清除空间碎片的绳系拖曳系统及方法，属航天技术领域。本发明专利技术公开一种用于清除空间碎片的绳系拖曳系统，包括拖船、系绳和系绳收放机构，被拖曳清除对象为空间碎片；系绳连接于拖船的一端为主绳，另一端分叉出多根子绳连接于空间碎片边缘，借助拖船产生推力，使空间碎片拖曳离轨，完成清除任务；采用多根子绳连接于空间碎片边缘能够增加系统的冗余度，提高绳系拖曳系统的可靠性；与空间碎片相连的多根子绳能产生对空间碎片的姿态偏差进行修正的力矩，抑制空间碎片的姿态运动，避免绳系拖曳系统失稳。本发明专利技术还公开一种用于清除空间碎片的绳系拖曳方法，用于所述一种用于清除空间碎片的绳系拖曳系统，能够实现清除空间碎片的目的。

【技术实现步骤摘要】
一种用于清除空间碎片的绳系拖曳系统及方法
本专利技术涉及一种用于清除空间碎片的绳系拖曳系统及方法，尤其涉及一种采用多绳分叉拖曳大型柔性空间碎片的清除系统及方法，属航天

技术介绍
绳系拖曳系统，它通过系绳将拖船和空间碎片相连，对拖船实施适当的轨道机动，从而将空间碎片带入坟墓轨道或坠入大气层烧毁。该系统结构简单，系绳长度可变且对使用环境无特殊要求，因此被认为是清除空间碎片的有效方法之一。地球同步轨道上的空间碎片相较于其他空间碎片而言，往往尺寸更大，质量更重，且携带有柔性附件，柔性附件的抖动会对系统的稳定性带来极大的影响。针对此类空间碎片的清除技术研究甚少，目前仅有两篇已发表的论文对携带有柔性附件的空间碎片绳系拖曳系统进行了基础的研究(Aslanov,V.S.,andYudintsev,V.V.,"Dynamics,AnalyticalSolutionsandChoiceofParametersforTowedSpaceDebriswithFlexibleAppendages."AdvanceinSpaceResearch55.2(2015):660-667；Aslanov,V.S.,andYudintsev,V.V.,"Behavioroftethereddebriswithflexibleappendages."ActaAstronautica104(2014):91-98)。在其研究中，采用单绳连接拖船和空间碎片的拖曳方式，在数学分析中将拖船视为质点，将系统简化在轨道平面内，模型相对简单，分析所得结果也仅适用于特殊条件下的空间碎片拖曳清除。此外，单绳的连接方式使得空间碎片的姿态运动很难得以控制，柔性附件的振动对系统的影响不能消除，空间碎片任何方向的初始姿态偏差都可能导致系统失稳，甚至影响任务的成败。因此，针对空间碎片，尤其针对GEO轨道上的带有柔性附件的空间碎片的绳系拖曳离轨技术仍然需要进一步研究。
技术实现思路
本专利技术公开的一种用于清除空间碎片的绳系拖曳系统及方法要解决的技术问题是：通过绳系拖曳实现清除空间碎片的目的，具有如下优点：(1)采用多根子绳连接于空间碎片边缘能够增加绳系拖曳系统的冗余度，应对系绳断裂的突发情况，提高系统的可靠性；(2)与空间碎片相连的多根子绳能产生对空间碎片姿态偏差进行修正的力矩，控制空间碎片的姿态运动，避免绳系拖曳系统失稳；(3)系绳与拖船和空间碎片的连接点随机，拖船和空间碎片的几何结构无约束，使得本专利技术中提出的系统及方法普遍适用于任意多绳多柔性附件的空间碎片的绳系拖曳清除；(4)主绳与多根子绳的分叉点通过万向节结构连接，能够避免空间碎片旋转导致的系绳缠绕。本专利技术的目的通过以下技术方案实现。本专利技术公开的一种用于清除空间碎片的绳系拖曳系统，包括拖船、系绳和系绳收放机构，被拖曳清除对象为空间碎片。系绳连接于拖船的一端为主绳，另一端分叉出多根子绳连接于空间碎片边缘，借助拖船产生推力，使空间碎片拖曳离轨，完成清除任务。采用多根子绳连接于空间碎片边缘能够增加系统的冗余度，应对系绳断裂的突发情况，提高绳系拖曳系统的可靠性。与空间碎片相连的多根子绳能产生对空间碎片的姿态偏差进行修正的力矩，同时抑制空间碎片的姿态运动，避免绳系拖曳系统失稳。根据空间碎片是否携带有柔性附件确定多根子绳连接于空间碎片的位置，当空间碎片携带有柔性附件时，为增强系绳的控制能力，多根子绳连接于空间碎片的柔性附件末端，使得系绳能提供更大的力矩，通过力矩稳定空间碎片的姿态运动并抑制柔性附件的振动。为避免空间碎片旋转导致系绳缠绕，主绳与多根子绳的分叉点通过万向节结构连接。本专利技术还公开一种用于清除空间碎片的绳系拖曳方法，用于所述的清除空间碎片的绳系拖曳系统，通过在轨释放小型拖船，利用轨道控制策略使其与空间碎片主动交会；将系绳末端与空间碎片的柔性附件末端相连；建立整个带有空间碎片的绳系拖曳系统的动力学模型，根据稳定性条件判断所选取的系绳长度和拖船推力能否将系统保持稳定，若不能，则重新选取数值进行稳定性判断，直至所选系绳原长和拖船推力能够使整个系统进入稳定状态；利用所选取的拖船推力、主绳及子绳长度对系统的轨道姿态运动进行控制，使整个带有空间碎片的绳系拖曳系统实现安全稳定的离轨操作，完成空间碎片的清除任务。系绳末端与空间碎片的柔性附件末端的连接方式包括抛射方式或主动导引方式。本专利技术公开的一种用于清除空间碎片的绳系拖曳方法，用于所述的清除空间碎片的绳系拖曳系统，包括如下步骤：步骤一：使用轨道控制策略使所述的一种用于清除空间碎片的绳系拖曳系统与空间碎片主动交会，并将分叉出的多根子绳连接于空间碎片边缘。步骤二：借助拖船推力及系绳收放机构对整个带有空间碎片的绳系拖曳系统的加速度、主绳及子绳的长度进行调控，从而使系统各项参数保持在平衡位置附近，避免系统剧烈的振荡引起系绳和柔性附件的断裂，保证整个带有空间碎片的绳系拖曳系统的稳定性和安全性。步骤2.1：建立整个带有空间碎片的绳系拖曳系统的三维动力学模型。将拖船看作刚体，空间碎片视为中心刚体携带有N个柔性附件，N数目不限，系绳看作分段的弹簧阻尼系统，质量集中于分叉点。为描述整个带有空间碎片的绳系拖曳系统中各体的相对运动和在惯性空间中的绝对运动，首先定义如下坐标系：惯性坐标系fe(oexeyeze)，原点位于地球质心，方向固定在惯性空间中；轨道坐标系fo(ooxoyozo)，原点位于主绳和子绳的分叉点处，zo轴由原点指向地心，xo轴在轨道平面内与zo轴垂直并指向卫星速度方向，yo轴与xo，zo轴右手正交且与轨道平面的法线平行。拖船的本体坐标系fb1(ob1xb1yb1zb1)，固定在其本体上，ob1为拖船的质心，三个坐标轴分别沿拖船的惯性轴方向；空间碎片的本体坐标系fb2(ob2xb2yb2zb2)，固定在其本体上，ob2为柔性附件未变形时空间碎片的质心，三个坐标轴分别沿空间碎片的惯性轴方向。柔性附件k的本体坐标系fak(oakxakyakzak)，固定在其本体上，oak为柔性附件与空间碎片本体系连接点的中心，yak为柔性附件长边方向，zak为横向，xak与yak和zak满足右手定则。拖船的质量为mb1，空间碎片中心体的质量为mb2，柔性附件k的质量分别为mak。系绳分叉点B的质量为m3。系绳与拖船的连接点A在拖船本体系fb1的位置矢量为ρA，系绳与空间碎片的连接点Bi在空间碎片的柔性附件k的本体坐标系下的位置矢量为若空间碎片不携带柔性附件，则系绳与空间碎片的连接点Bi的位置矢量表示在空间碎片本体系下。拖船的姿态角表示为是拖船本体系相对于轨道系fo的欧拉角，表示在拖船本体系fb1下。空间碎片中心体的姿态角表示为是空间碎片本体系相对于轨道系fo的欧拉角，表示在空间碎片本体系fb2下。对携带有N个柔性附件的空间碎片的绳系拖曳系统，选取系统的广义坐标为：其中，R1，R2和R3分别为oe到ob1，ob2和B的位置矢量在fe下的分量列阵，和分别是拖船和空间碎片的本体系相对于惯性系的绝对转角在fb1和fb2下的分量列阵，qak为第k个柔性附件的前l阶模态坐标组成的l×1列阵，与时间有关，N是柔性附件的总个数。右上角标T表示矩阵的转置。选取广义坐标的时间导数作为广义速率，并设置广义速率列阵为：本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于清除空间碎片的绳系拖曳系统，其特征在于：包括拖船、系绳和系绳收放机构，被拖曳清除对象为空间碎片；系绳连接于拖船的一端为主绳，另一端分叉出多根子绳连接于空间碎片边缘，借助拖船产生推力，使空间碎片拖曳离轨，完成清除任务；采用多根子绳连接于空间碎片边缘能够增加系统的冗余度，应对系绳断裂的突发情况，提高绳系拖曳系统的可靠性；与空间碎片相连的多根子绳能产生对空间碎片的姿态偏差进行修正的力矩，同时抑制空间碎片的姿态运动，避免绳系拖曳系统失稳。

【技术特征摘要】
1.一种用于清除空间碎片的绳系拖曳系统，其特征在于：包括拖船、系绳和系绳收放机构，被拖曳清除对象为空间碎片；系绳连接于拖船的一端为主绳，另一端分叉出多根子绳连接于空间碎片边缘，借助拖船产生推力，使空间碎片拖曳离轨，完成清除任务；采用多根子绳连接于空间碎片边缘能够增加系统的冗余度，应对系绳断裂的突发情况，提高绳系拖曳系统的可靠性；与空间碎片相连的多根子绳能产生对空间碎片的姿态偏差进行修正的力矩，同时抑制空间碎片的姿态运动，避免绳系拖曳系统失稳。2.如权利要求1所述的一种用于清除空间碎片的绳系拖曳系统，其特征在于：根据空间碎片是否携带有柔性附件确定多根子绳连接于空间碎片的位置，当空间碎片携带有柔性附件时，为增强系绳的控制能力，多根子绳连接于空间碎片的柔性附件末端，使得系绳能提供更大的力矩，通过力矩稳定空间碎片的姿态运动并抑制柔性附件的振动。3.如权利要求1或2所述的一种用于清除空间碎片的绳系拖曳系统，其特征在于：为避免空间碎片旋转导致系绳缠绕，主绳与多根子绳的分叉点通过万向节结构连接。4.一种用于清除空间碎片的绳系拖曳方法，其特征在于：用于所述的清除空间碎片的绳系拖曳系统，包括如下步骤，步骤一：使用轨道控制策略使如权利要求1所述的一种用于清除空间碎片的绳系拖曳系统与空间碎片主动交会，并将分叉出的多根子绳连接于空间碎片边缘；步骤二：借助拖船推力及系绳收放机构对整个带有空间碎片的绳系拖曳系统的加速度、主绳及子绳的长度进行调控，从而使系统各项参数保持在平衡位置附近，避免系统剧烈的振荡引起系绳和柔性附件的断裂，保证整个带有空间碎片的绳系拖曳系统的稳定性和安全性；步骤三：将前述步骤选取的推力、主绳和子绳的原长用于空间碎片清除任务中，启动拖船发动机施加推力，将空间碎片拖曳离轨，即通过绳系拖曳实现清除空间碎片。5.如权利要求4所述的一种用于清除空间碎片的绳系拖曳方法，其特征在于：步骤二具体实现方法为，步骤2.1：建立整个带有空间碎片的绳系拖曳系统的三维动力学模型；步骤2.2：求取带有空间碎片的绳系拖曳系统所受的广义外力；步骤2.3：分析系统的平衡状态，求取整个带有空间碎片的绳系拖曳系统平衡状态下的各项参数；步骤2.4：在平衡状态附近，根据泰勒公式对动力学方程(1)-(6)进行线性化，进一步分析平衡状态系统的稳定性。6.如权利要求5所述的一种用于清除空间碎片的绳系拖曳方法，其特征在于：步骤2.1具体实现方法为，将拖船看作刚体，空间碎片视为中心刚体携带N个柔性附件，N数目不限，系绳看作分段的弹簧阻尼系统，质量集中于分叉点；为描述整个带有空间碎片的绳系拖曳系统中各体的相对运动和在惯性空间中的绝对运动，首先定义如下坐标系：惯性坐标系fe(oexeyeze)，原点位于地球质心，方向固定在惯性空间中；轨道坐标系fo(ooxoyozo)，原点位于主绳和子绳的分叉点处，zo轴由原点指向地心，xo轴在轨道平面内与zo轴垂直并指向卫星速度方向，yo轴与xo，zo轴右手正交且与轨道平面的法线平行；拖船的本体坐标系fb1(ob1xb1yb1zb1)，固定在其本体上，ob1为拖船的质心，三个坐标轴分别沿拖船的惯性轴方向；空间碎片的本体坐标系fb2(ob2xb2yb2zb2)，固定在其本体上，ob2为柔性附件未变形时空间碎片的质心，三个坐标轴分别沿空间碎片的惯性轴方向；柔性附件k的本体坐标系fak(oakxakyakzak)，固定在其本体上，oak为柔性附件与空间碎片本体系连接点的中心，yak为柔性附件长边方向，zak为横向，xak与yak和zak满足右手定则；拖船的质量为mb1，空间碎片中心体的质量为mb2，柔性附件k的质量分别为mak；系绳分叉点B的质量为m3；系绳与拖船的连接点A在拖船本体系fb1的位置矢量为ρA，系绳与空间碎片的连接点Bi在空间碎片的柔性附件k的本体坐标系下的位置矢量为若空间碎片不携带柔性附件，则系绳与空间碎片的连接点Bi的位置矢量表示在空间碎片本体系下；拖船的姿态角表示为是拖船本体系相对于轨道系fo的欧拉角，表示在拖船本体系fb1下；空间碎片中心体的姿态角表示为是空间碎片本体系相对于轨道系fo的欧拉角，表示在空间碎片本体系fb2下；对携带有N个柔性附件的空间碎片的绳系拖曳系统，选取系统的广义坐标为：其中，R1，R2和R3分别为oe到ob1，ob2和B的位置矢量在fe下的分量列阵，和分别是拖船和空间碎片的本体系相对于惯性系的绝对转角在fb1和fb2下的分量列阵，qak为第k个柔性附件的前l阶模态坐标组成的l×1列阵，与时间有关，N是柔性附件的总个数；右上角标T表示矩阵的转置；选取广义坐标的时间导数作为广义速率，并设置广义速率列阵为：则显然有，W4＝ωb1，W5＝ωb2，其中，ωb1和ωb2分别为拖船和空间碎片中心体相对于惯性系的角速度矢量在fb1和fb2下的分量列阵；对带有空间碎片的绳系拖曳系统中各个质量点进行动力学及运动学分析，得到由广义坐标表示的整个带有空间碎片的绳系拖曳系统动力学方程(1)-(6)：其中，上标“～”表示向量的叉乘矩阵，Ae,b1和Ae,b2分别表示拖船本体系和空间碎片本体系到惯性系的转换矩阵，逆矩阵表示为Ab1,e和Ab2,e；Ae,ak表示第k个柔性附件的本体系到惯性系的转换矩阵，逆矩阵表示为Aak,e；Aak,b2表示空间碎片本体系到第k个柔性附件本体系的转换矩阵，逆矩阵为Ab2,ak；Kak和Cak分别为空间碎片上柔性附件k的模态刚度阵和模态阻尼阵；和分别表示拖船，空间碎片和系绳分叉点B所受的广义外力的合力矩阵，表示在惯性系下；为拖船合外力对ob1的力矩列阵，表示在拖船本体系下；为空间碎片所受合外力对ob2的力矩列阵，表示在空间碎片本体系下；Qak为对应于广义坐标qak的广义外力，表示在柔性附件k的本体系下；其余各变量的具体表达形式如下：SbΛ＝∫bΛrbΛdmbΛ(7)其中，Λ＝1,2分别代表拖船和空间碎片中心体...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨科莹，祁瑞，刘禹，王焕杰，石安睿，张尧，张景瑞，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11