一种空间超大规模绳系的双向非均匀释放展开控制方法技术

一种空间超大规模绳系的双向非均匀释放展开控制方法，通过空间超大规模绳系系统实现，包括上端飞行器、下端飞行器、同步轨道站、上端绳系、下端绳系，空间超大规模绳系系统中，上端绳系、下端绳系用于连接上端飞行器、同步轨道站及下端飞行器、同步轨道站，两端绳系分别沿同步轨道站的上端和下端两个方向在上端飞行器和下端飞行器的牵引作用下展开，同时，依靠上端飞行器、同步轨道站和下端飞行器的共同控制作用，保证全部绳系的稳定释放展开。保证全部绳系的稳定释放展开。保证全部绳系的稳定释放展开。

【技术实现步骤摘要】
一种空间超大规模绳系的双向非均匀释放展开控制方法


[0001]本专利技术涉及一种空间超大规模绳系的双向非均匀释放展开控制方法，属于飞行器动力学与控制


技术介绍

[0002]作为一种新概念航天运输系统，天梯通过超大规模带状绳系将地球表面与地球同步轨道上方的空间节点连接，利用绳系上的攀爬装置携带有效载荷进入空间。超大规模绳系(长度约为100000km规模)的稳定展开是天梯系统应用与运行的基础与关键。
[0003]然而，该展开过程覆盖地面到高轨，跨域性强，干扰因素复杂，包括大气干扰、高空风干扰等，同时绳系阻尼小、柔性大，规模巨大，这些将导致绳系动力学形式异常复杂。传统空间绳系卫星的绳系展开控制方法仅适用于小规模绳系(不大于几十km规模)；而面对以天梯为代表的空间超大规模绳系的展开过程，现有的控制方法研究导致推进剂消耗较大，仅仅靠端部飞行器自身携带的推进剂难以支撑，需要从技术设计和策略制定两方面综合考虑燃料消耗因素，进行绳系展开稳定控制方法设计。

技术实现思路

[0004]本专利技术解决的技术问题是：针对目前现有技术中，难以实现以天梯为代表的空间超大规模绳系的展开过程稳定控制的问题，提出了一种空间超大规模绳系的双向非均匀释放展开控制方法。
[0005]本专利技术解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：
[0006]一种空间超大规模绳系的双向非均匀释放展开控制方法，通过空间超大规模绳系系统实现，包括上端飞行器、下端飞行器、同步轨道站、上端绳系、下端绳系，包括：
[0007]获取绳系展开任务参数；
[0008]确定空间超大规模绳系系统参数；所述空间超大规模绳系系统中，上端绳系、下端绳系用于连接上端飞行器、同步轨道站及下端飞行器、同步轨道站；
[0009]根据任务参数的任务时长约束，确定绳系双向非均匀展开过程的上端飞行器和下端飞行器加速度轨迹；
[0010]进行当前时刻的下端飞行器质量判断，若满足判断条件，则进行当前时刻的上端飞行器质量判断；
[0011]进行当前时刻的同步轨道站质量判断；
[0012]确定当前时刻同步轨道站对下端绳系的控制拉力及对上端绳系的控制拉力，并确定上端绳系对上端飞行器拉力的径向分量及切向分量、当前时刻同步轨道站的径向控制推力、下端飞行器径向控制推力及切向控制推力、上端飞行器径向控制推力、切向控制推力；
[0013]确定前时刻同步轨道站姿态指令矢量、下端飞行器姿态指令矢量、上端飞行器的姿态指令矢量；
[0014]确定当前时刻同步轨道站控制力矩矢量、下端飞行器控制力矩矢量、上端飞行器
控制力矩矢量；
[0015]根据所得控制力、姿态指令矢量、控制力矩矢量，分别对同步轨道站、下端飞行器、上端飞行器实施位姿控制，同时对上端绳系、下端绳系施加控制拉力；
[0016]完成位姿控制后，判断下段飞行器是否已达到预定着陆点，若达到则结束位姿控制，否则重新进行下端飞行器、上端飞行器、同步轨道站的质量判断及后续位姿控制参数计算，直至下段飞行器达到预定着陆点。
[0017]所述绳系展开任务参数包括展开时长约束T
max
，落地速度V
Touch
，上端飞行器初始质量M
Up0
，下端飞行器的初始质量M
Down0
，同步轨道站的初始质量M
GEO0
，上端飞行器的燃耗阈值M
UpTh
，下端飞行器的燃耗阈值M
DownTh
，同步轨道站的燃耗阈值M
GEOTh
；
[0018]所述空间超大规模绳系系统参数包括绳系密度γ，绳系最大截面积A
m
，特征长度绳系弹性模量E，绳系设计应力值σ0，最大绳长L
max
。
[0019]所述当前时刻的下端飞行器质量判断具体为：
[0020]预设下端飞行器质量阈值M
DownTh
，判断当前时刻t
k
(k＝0,1,2...)下端飞行器质量M
Down
(t
k
)是否满足M
Down
(t
k
)≤M
DownTh
，若满足，则继续当前时刻的上端飞行器质量判断，否则根据计算对下端飞行器进行燃料补加后重新进行判断直至下端飞行器质量满足M
Down
(t
k
)≤M
DownTh
，其中：
[0021]计算当前时刻t
k
(k＝0,1,2...)下端飞行器期望速率确定下端飞行器燃料补加的轨道高度H
Down
，并将待补加燃料从地面发射场运送至计算所得轨道高度，待补加燃料质量为M
Down0
‑
M
DownTh
。
[0022]所述当前时刻的上端飞行器质量判断具体为：
[0023]预设上端飞行器质量阈值M
UpTh
，判断当前时刻t
k
(k＝0,1,2...)上端飞行器质量M
Up
(t
k
)是否满足M
Up
(t
k
)≤M
UpTh
，若满足，否则根据计算对上端飞行器进行燃料补加后重新进行判断直至上端飞行器质量满足M
Up
(t
k
)≤M
UpTh
，其中：
[0024]计算当前时刻t
k
(k＝0,1,2...)上端飞行器速率确定上端飞行器燃料补加的轨道高度H
Up
，并将待补加燃料从地面发射场运送至该轨道高度，待补加燃料质量为M
Up0
‑
M
UpTh
。
[0025]所述当前时刻的同步轨道站质量判断具体为：
[0026]预设同步轨道站质量阈值M
GEOTh
，判断当前时刻t
k
(k＝0,1,2...)同步轨道站质量M
GEO
(t
k
)是否满足M
GEO
(t
k
)≤M
GEOTh
，若满足，则计算当前时刻同步轨道站对上端绳系、下端绳系的控制拉力F
UpT
(t
k
)和F
DownT
(t
k
)；
[0027]若不满足，则确定同步轨道站待补加燃料为M
GEO0
‑
M
GEOTh
，并将待补加燃料从地面发射场运送至地球同步轨道高度，对同步轨道站进行燃料补加。
[0028]根据当前时刻t
k
(k＝0,1,2...)下端飞行器的质量M
Down
(t
k
)、地心距r
Down
(t
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种空间超大规模绳系的双向非均匀释放展开控制方法，通过空间超大规模绳系系统实现，包括上端飞行器、下端飞行器、同步轨道站、上端绳系、下端绳系，其特征在于包括：获取绳系展开任务参数；确定空间超大规模绳系系统参数；所述空间超大规模绳系系统中，上端绳系、下端绳系用于连接上端飞行器、同步轨道站及下端飞行器、同步轨道站；根据任务参数的任务时长约束，确定绳系双向非均匀展开过程的上端飞行器和下端飞行器加速度轨迹；进行当前时刻的下端飞行器质量判断，若满足判断条件，则进行当前时刻的上端飞行器质量判断；进行当前时刻的同步轨道站质量判断；确定当前时刻同步轨道站对下端绳系的控制拉力及对上端绳系的控制拉力，并确定上端绳系对上端飞行器拉力的径向分量及切向分量、当前时刻同步轨道站的径向控制推力、下端飞行器径向控制推力及切向控制推力、上端飞行器径向控制推力、切向控制推力；确定前时刻同步轨道站姿态指令矢量、下端飞行器姿态指令矢量、上端飞行器的姿态指令矢量；确定当前时刻同步轨道站控制力矩矢量、下端飞行器控制力矩矢量、上端飞行器控制力矩矢量；根据所得控制力、姿态指令矢量、控制力矩矢量，分别对同步轨道站、下端飞行器、上端飞行器实施位姿控制，同时对上端绳系、下端绳系施加控制拉力；完成位姿控制后，判断下段飞行器是否已达到预定着陆点，若达到则结束位姿控制，否则重新进行下端飞行器、上端飞行器、同步轨道站的质量判断及后续位姿控制参数计算，直至下段飞行器达到预定着陆点。2.根据权利要求1所述的一种空间超大规模绳系的双向非均匀释放展开控制方法，其特征在于：所述绳系展开任务参数包括展开时长约束T
max
，落地速度V
Touch
，上端飞行器初始质量M
Up0
，下端飞行器的初始质量M
Down0
，同步轨道站的初始质量M
GEO0
，上端飞行器的燃耗阈值M
UpTh
，下端飞行器的燃耗阈值M
DownTh
，同步轨道站的燃耗阈值M
GEOTh
；所述空间超大规模绳系系统参数包括绳系密度γ，绳系最大截面积A
m
，特征长度绳系弹性模量E，绳系设计应力值σ0，最大绳长L
max
。3.根据权利要求2所述的一种空间超大规模绳系的双向非均匀释放展开控制方法，其特征在于：所述当前时刻的下端飞行器质量判断具体为：预设下端飞行器质量阈值M
DownTh
，判断当前时刻t
k
(k＝0,1,2...)下端飞行器质量M
Down
(t
k
)是否满足M
Down
(t
k
)≤M
DownTh
，若满足，则继续当前时刻的上端飞行器质量判断，否则根据计算对下端飞行器进行燃料补加后重新进行判断直至下端飞行器质量满足M
Down
(t
k
)≤M
DownTh
，其中：计算当前时刻t
k
(k＝0,1,2...)下端飞行器期望速率确定下端飞行器燃料补加的轨道高度H
Down
，并将待补加燃料从地面发射场运送至计算所得轨道高
度，待补加燃料质量为M
Down0
‑
M
DownTh
。4.根据权利要求3所述的一种空间超大规模绳系的双向非均匀释放展开控制方法，其特征在于：所述当前时刻的上端飞行器质量判断具体为：预设上端飞行器质量阈值M
UpTh
，判断当前时刻t
k
(k＝0,1,2...)上端飞行器质量M
Up
(t
k
)是否满足M
Up
(t
k
)≤M
UpTh
，若满足，否则根据计算对上端飞行器进行燃料补加后重新进行判断直至上端飞行器质量满足M
Up
(t
k
)≤M
UpTh
，其中：计算当前时刻t
k
(k＝0,1,2...)上端飞行器速率确定上端飞行器燃料补加的轨道高度H
Up
，并将待补加燃料从地面发射场运送至该轨道高度，待补加燃料质量为M
Up0
‑
M
UpTh
。5.根据权利要求4所述的一种空间超大规模绳系的双向非均匀释放展开控制方法，其特征在于：所述当前时刻的同步轨道站质量判断具体为：预设同步轨道站质量阈值M
GEOTh
，判断当前时刻t
k
(k＝0,1,2...)同步轨道站质量M
GEO
(t
k
)是否满足M
GEO
(t
k
)≤M
GEOTh
，若满足，则计算当前时刻同步轨道站对上端绳系、下端绳系的控制拉力F
UpT
(t
k
)和F
DownT
(t
k
)；若不满足，则确定同步轨道站待补加燃料为M
GEO0
‑
M
GEOTh
，并将待补加燃料从地面发射场运送至地球同步轨道高度，对同步轨道站进行燃料补加。6.根据权利要求5所述的一种空间超大规模绳系的双向非均匀释放展开控制方法，其特征在于：根据当前时刻t
k
(k＝0,1,2...)下端飞行器的质量M
Down
(t
k
)、地心距r
Down
(t
k
)和加速度a
Down
(t
k
...

【专利技术属性】
技术研发人员：张烽，刘丙利，汪小卫，焉宁，任宽，张柳，童科伟，张雪梅，王书廷，矫慧，何漫，
申请(专利权)人：中国运载火箭技术研究院，
类型：发明
国别省市：