球型增阻离轨装置自稳定构型优化方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开的球型增阻离轨装置自稳定构型优化方法，属于航天器姿态动力学与控制领域。本发明专利技术实现方法为：建立基于位置矢量和欧拉角描述的球型增阻离轨系统三维动力学模型，大气阻力模型中的大气阻力系数由大气状态、球型增阻离轨装置构型表征；中心引力模型中加入由带谐项系数、引力常数、地球半径、球型增阻离轨系统质量构成的摄动中心引力修正项，提高球型增阻离轨系统三维动力学模型的精度。基于所述模型将姿态模型简化至轨道平面，基于所述模型进行非线性分析，构建球型增阻离轨装置稳定构型约束条件。基于球型增阻离轨装置稳定构型约束条件，得到优化后的姿态自稳定的球型增阻离轨装置构型，进而提高球型增阻离轨装置的安全可靠性。全可靠性。全可靠性。

【技术实现步骤摘要】
球型增阻离轨装置自稳定构型优化方法


[0001]本专利技术涉及球型增阻离轨装置自稳定构型优化方法，尤其涉及面向配置在低地球轨道卫星上用于寿命末期离轨的球型增阻离轨装置的自稳定构型优化方法，属于航天器姿态动力学与控制领域。

技术介绍

[0002]航天活动尤其是近年来低地球轨道超大规模星座计划的不断开展，将导致空间碎片数量明显增加，这使得本就有限的轨道资源更加稀缺，也对在轨航天器的安全运行造成威胁。为减少碎片的产生，星座卫星配置主动离轨装置被认为是一项必要的碎片清除措施。在低地球轨道，由于空间环境摄动尤其是大气阻力对卫星影响显著，因此可以采用能够增大环境作用力的增阻离轨装置，通过增大卫星的有效面积，实现快速离轨。由于大气密度随轨道高度的降低而增加，在低地球轨道，可以利用球型离轨装置全向增阻的特性，依靠大气阻力使卫星离轨。
[0003]增阻离轨装置折叠收纳在独立的模块中，在卫星寿命末期展开，展开瞬间在弹力和大气阻力、太阳光压等环境摄动的作用下，球型增阻离轨系统很可能会无规则翻滚，带来很多不利影响。例如导致卫星和增阻离轨装置之间的连接受到较大冲本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.球型增阻离轨装置自稳定构型优化方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一：球型增阻离轨装置配置在低轨卫星上，基于位置矢量和欧拉角描述建立球型增阻离轨系统三维动力学模型，在所述模型中球型增阻离轨系统受到大气阻力摄动、地球形状摄动和重力梯度力矩的作用；针对球型增阻离轨装置，构建由大气状态、球型增阻离轨装置构型构成的球型增阻离轨装置大气阻力系数，通过球型增阻离轨装置大气阻力系数表征增阻离轨装置构型对大气阻力表达式的影响，进而提高大气阻力模型的精度；在原有卫星中心引力模型中加入由带谐项系数、引力常数、地球半径、球型增阻离轨系统质量构成的摄动中心引力修正项，得到考虑地球形状摄动影响的中心引力模型，通过中心引力修正项表征带谐项系数对中心引力影响，进而提高中心引力模型的精度；进而提高球型增阻离轨系统三维动力学模型的精度；步骤二：基于步骤一得到的球型增阻离轨系统三维动力学模型，将姿态模型简化至平面圆轨道，得到指向角变化方程；通过对方程平衡点数目的分析，将离轨过程分为气动稳定区域、梯度稳定区域两个稳定区域，分析球型增阻离轨装置构型参数对区域分界线的影响，并构建球型增阻离轨装置稳定构型约束条件；所述球型增阻离轨装置构型参数包括充气球半径、安装偏置、薄膜面密度；步骤三：根据步骤二构建球型增阻离轨装置稳定构型约束条件，确定满足球型增阻离轨装置稳定构型约束条件的构型参数，包括充气球半径、安装偏置、薄膜面密度，进而得到优化后的姿态自稳定的球型增阻离轨装置构型。2.如权利要求1所述的球型增阻离轨装置自稳定构型优化方法，其特征在于：步骤一实现方法为，步骤1.1：将球型增阻离轨装置等效为均匀的充气薄膜球，基于球的几何关系，根据球半径和薄膜材料的面密度计算球型增阻离轨系统质量；将球型增阻离轨系统压心等效为充气球的球心，根据球型增阻离轨系统质量，并结合球与卫星的几何关系计算本体系下球型增阻离轨系统压心的位置矢量；根据球型增阻离轨系统质量和压心的位置矢量计算球型增阻离轨系统的主转动惯量；为了描述球型增阻离轨系统的姿态和轨道，建立速度坐标系和本体坐标系；速度坐标系原点为卫星的质心；y
o
轴与球型增阻离轨系统速度方向重合；x
o
轴在轨道平面内并垂直y
o
轴，从地心指向坐标系原点方向为正；z
o
轴符合右手定则；球型增阻离轨装置安装于卫星上O点，以O点为原点建立本体坐标系Ox
b
y
b
z
b
，其中y
b
轴与球型增阻离轨系统中心轴重合，由球型增阻离轨装置指向卫星方向，符合右手定则；卫星质量为m
s
，其质心在本体坐标系表示为r
s_b
＝[0
‑
d0]
T
，三轴方向主转动惯量为I
s,x
、I
s,y
、I
s,,z
；对于球型增阻离轨装置，充气球半径为R，薄膜材料的面密度为σ
m
，则球型增阻离轨系统质量如式(1)所示；其中，球型增阻离轨系统包括寿命末期卫星和球型增阻离轨装置两部分；m＝m
s
+4πR2σ
m
(1)球型增阻离轨系统压心等效为充气球的球心，在本体系下的位置矢量为
球型增阻离轨系统的主转动惯量步骤1.2：根据动量原理，采用气体的自由分子流模型计算球型增阻离轨系统表面微元受到的大气阻力，提高对大气阻力的计算精度；由于充气球的体积远大于卫星，因此在计算大气阻力摄动时，将球型增阻离轨系统的大气阻力摄动简化表征为充气球表面积受到的大气阻力摄动；根据充气球的表面积对微元受到的大气阻力进行积分，得到大气阻力表达式F
A
，即构建大气阻力模型；针对球型增阻离轨装置，构建由大气状态、增阻离轨装置构型构成的球型增阻离轨装置大气阻力系数，通过球型增阻离轨装置大气阻力系数表征增阻离轨装置构型对大气阻力表达式F
A
的影响，进而提高大气阻力模型的精度；稀薄大气中，卫星的特征尺寸与大气的平均自由程接近，采用气体的自由分子流模型来计算大气阻力摄动；根据动量原理，计算球型增阻离轨系统表面微元ds受到的压力为式中，k为玻尔兹曼常量，m0为一个气体分子的质量，T
∞
代表来流分子温度，T
u
为单位时间单位面积上气体分子以麦克斯韦分布反射而带走的法向动量；v为球型增阻离轨系统速度矢量，与ds法向夹角为φ，切向夹角ρ是大气密度，n为微元外法线方向；σ
n
为法向动量适应系数，取0时，气体分子碰撞为完全镜面反射，取1时，气体分子碰撞为完全漫反射；由于充气球的体积远大于卫星，因此在计算大气阻力摄动时，将球型增阻离轨系统的大气阻力摄动简化表征为充气球表面积受到的大气阻力摄动，计算得球型增阻离轨系统受到的大气阻力表示为式(5)，球型增阻离轨系统的大气阻力系数表示为式(6)；
步骤1.3：根据步骤1.1得到的球型增阻离轨系统压心的位置矢量和步骤1.2得到的大气阻力计算本体系下球型增阻离轨系统的气动力矩；球型增阻离轨系统速度单位矢量在本体系中表示如下u
v_b
＝[σ1σ2σ3]
T
(7)则球型增阻离轨系统受到的气动力矩表示为步骤1.4：在原有卫星中心引力模型中加入由带谐项系数、引力常数、地球半径、球型增阻离轨系统质量构成的摄动中心引力修正项，得到考虑地球形状摄动影响的中心引力模型，通过中心引力修正项表征带谐项系数对中心引力影响，进而提高中心引力模型的精度；考虑地球形状摄动影响的中心引力如式(9)所示；式中，J2是带谐项系数，μ是引力常数，R

【专利技术属性】
技术研发人员：张若楠，张景瑞，杨科莹，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：