一种无动力缆绳辅助的空间站有效载荷返回方法，它涉及一种空间站有效载荷返回方法。本发明专利技术为了解决现有的空间站有效载荷返回技术因受制于发射窗口的限制，致使有效载荷返回成本高，无法满足空间站有效载荷及时、有效、低成本的返回需求的问题。主要步骤：设定离轨点目标参数tn和L；建立期望的缆绳最优展开轨迹；控制当前缆绳的展开状态参数与期望值一致；控制张力；控制返回舱的运动轨迹；判断返回舱是否到达预定位置；展开释放结束。可广泛应用于空间站或低轨道天基平台的有效载荷返回。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种空间站有效载荷返回方法，属于空间航天器控制
技术介绍
随着人类对太空的不断探索发现，人类对太空探索的手段和技术不断进步，从用肉眼到望远镜，再到太空卫星，进而人类对太空的认识逐渐加深。然而这些手段和技术并不能满足当代人的需求，从而一种新的空间技术及手段——太空天基平台，被提出并实现。从苏联“和平号”空间站到现在的“国际空间站”，人类在太空天基平台技术上实现了质的飞跃。然而随着空间站技术的发展和人类在空间站的活动(空间观测和实验等)的不断增加， 大量的在空间站上获取信息载体(如胶卷、存储器等)和试验样品需要被及时的送回地面。 但是目前能够执行天地往返运输任务的航天飞机和宇宙飞船都存在明显的不足发射成本高、发射次数有限且受发射窗口限制。特别是2003年美国“哥伦比亚”号航天飞机失事也使得人们对其安全可靠性提出了质疑。空间站有效载荷返回是指空间返回舱在携带有效载荷后，脱离空间站轨道，通过一定的轨道制动进入大气层返回地面。目前常用的空间有效载荷技术主要分为两种一种是航天飞机技术，其从地面发射与空间站对接，携带好有效载荷后采用升力式再入返回地面，再修复后可再次重复使用；另一种是宇宙飞船技术，其同样利用火箭从地面发射，与空间站对接携带好有效载荷，通过离轨发动机制动离轨，采用半弹道式再入返回地面，不可重复使用。这两项技术都受制于发射窗口的限制，且其高额的发射成本，同时其安全性也存在一定的质疑，因而不能实现空间站有效载荷及时、有效、低成本的返回需求。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有的空间站有效载荷返回技术因受制于发射窗口的限制，致使有效载荷返回成本高，无法满足空间站有效载荷及时、有效、低成本的返回需求的问题，进而提供了。本专利技术为解决上述技术问题采取的技术方案是本专利技术所述的是基于包括空间站、无动力缆绳、缆绳的存储装置、缆绳的释放回收控制装置和装有有效载荷的充气式返回舱的返回系统来实现的；缆绳的存储装置、 缆绳的释放回收控制装置均安装在空间站(或天基平台)上，无动力缆绳以缠绕方式设置在缆绳的存储装置内，装有有效载荷的充气式返回舱通过无动力缆绳与空间站(或天基平台)连接，缆绳的释放回收控制装置用于控制缆绳的释放及回收；所述方法是按照以下步骤实现的步骤一、设定离轨点目标参数tn和L ；tn表示离轨点时间；L表示空间站和离轨点的距离或缆绳最终展开长度；然后考虑缆绳的释放回收控制装置在有效载荷返回过程中消耗燃料最优，定义优化目标函数为权利要求1. ，所述空间站有效载荷返回方法是基于包括空间站(1)、无动力缆绳O)、缆绳的存储装置(3)、缆绳的释放回收控制装置(4) 和装有有效载荷的充气式返回舱( 的返回系统来实现的；缆绳的存储装置(3)、缆绳的释放回收控制装置(4)均安装在空间站(1)上，无动力缆绳O)以缠绕方式设置在缆绳的存储装置(3)内，装有有效载荷的充气式返回舱( 通过无动力缆绳( 与空间站(1)连接， 缆绳的释放回收控制装置(4)用于控制缆绳的释放及回收；其特征在于所述方法是按照以下步骤实现的步骤一、设定离轨点目标参数&和L ； &表示离轨点时间；L表示空间站和离轨点的距离或缆绳最终展开长度；然后考虑缆绳的释放回收控制装置(4)在有效载荷返回过程中消耗燃料最优，定义优化目标函数为全文摘要，它涉及一种空间站有效载荷返回方法。本专利技术为了解决现有的空间站有效载荷返回技术因受制于发射窗口的限制，致使有效载荷返回成本高，无法满足空间站有效载荷及时、有效、低成本的返回需求的问题。主要步骤设定离轨点目标参数tn和L；建立期望的缆绳最优展开轨迹；控制当前缆绳的展开状态参数与期望值一致；控制张力；控制返回舱的运动轨迹；判断返回舱是否到达预定位置；展开释放结束。可广泛应用于空间站或低轨道天基平台的有效载荷返回。文档编号B64G1/64GK102320385SQ20111017736公开日2012年1月18日 申请日期2011年6月28日 优先权日2011年6月28日专利技术者孙兆伟, 曹喜滨, 郑鹏飞 申请人:哈尔滨工业大学本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种无动力缆绳辅助的空间站有效载荷返回方法，所述空间站有效载荷返回方法是基于包括空间站（１）、无动力缆绳（２）、缆绳的存储装置（３）、缆绳的释放回收控制装置（４）和装有有效载荷的充气式返回舱（５）的返回系统来实现的；缆绳的存储装置（３）、缆绳的释放回收控制装置（４）均安装在空间站（１）上，无动力缆绳（２）以缠绕方式设置在缆绳的存储装置（３）内，装有有效载荷的充气式返回舱（５）通过无动力缆绳（２）与空间站（１）连接，缆绳的释放回收控制装置（４）用于控制缆绳的释放及回收；其特征在于：所述方法是按照以下步骤实现的：步骤一、设定离轨点目标参数ｔｎ和Ｌ；ｔｎ表示离轨点时间；Ｌ表示空间站和离轨点的距离或缆绳最终展开长度；然后考虑缆绳的释放回收控制装置（４）在有效载荷返回过程中消耗燃料最优，定义优化目标函数为：（ｍａｔｈ）??（ｍｒｏｗ）?（ｍｉ）Ｊ（／ｍｉ）?（ｍｏ）＝（／ｍｏ）?（ｍｕｎｄｅｒｏｖｅｒ）?（ｍｏ）＆Ｉｎｔｅｇｒａｌ；（／ｍｏ）?（ｍｓｕｂ）?（ｍｉ）ｔ（／ｍｉ）?（ｍｎ）０（／ｍｎ）?（／ｍｓｕｂ）?（ｍｓｕｂ）?（ｍｉ）ｔ（／ｍｉ）?（ｍｉ）ｆ（／ｍｉ）?（／ｍｓｕｂ）?（／ｍｕｎｄｅｒｏｖｅｒ）?（ｍｓｕｐ）?（ｍｉ）Ｎ（／ｍｉ）?（ｍｎ）２（／ｍｎ）?（／ｍｓｕｐ）?（ｍｉ）ｄｔ（／ｍｉ）?（ｍｏ）－（／ｍｏ）?（ｍｏ）－（／ｍｏ）?（ｍｏ）－（／ｍｏ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）（（／ｍｏ）?（ｍｎ）１（／ｍｎ）?（ｍｏ））（／ｍｏ）?（／ｍｒｏｗ）?（／ｍｒｏｗ）?（／ｍａｔｈ）Ｎ表示缆绳对充气式返回舱的拉力；ｔ表示时间变量；步骤二、建立期望的缆绳最优展开轨迹；无动力缆绳辅助的充气式返回舱（５）的展开动力学方程为：式中：ｌ表示已经释放的缆绳长度；ｉ表示缆绳释放的速度；表示缆绳释放的加速度；θ表示释放出的缆绳在轨道面上的投影与铅直线之间的夹角；表示释放出的缆绳与轨道面之间的夹角；ω为空间站的轨道角速度；表示缆绳机构对充气式返回舱的控制拉力；ＮｌＮθ是Ｎ在缆绳方向、θ方向、方向的三个控制拉力分量；ｍ为充气式返回舱的质量；上式中的ｌ、θ、均为随时间ｔ的变化而变化的变量，可进一步表示为ｌ（ｔ）、θ（ｔ）、根据给定的离轨点目标参数ｔｎ和Ｌ，并考虑式（１）限定的燃料最优原则，结合式（２）～（４），得到ｌ（ｔ）、θ（ｔ）、的表达式，进而得至由ｌ（ｔ）、θ（ｔ）、三个函数确定的期望的缆绳最优展开轨迹；步骤三、控制当前缆绳的展开状态参数ｌ′、θ′、与ｌ（ｔ）、θ（ｔ）、三个函数所确定的期望值一致；步骤四、控制张力：利用变结构控制律得出实际操作过程中的缆绳对充气式返回舱（５）的拉力Ｎ′来调整缆绳的释放速度；步骤五、控制返回舱的运动轨迹：以由ｌ（ｔ）、θ（ｔ）、三个函数确定的期望的缆绳最优展开轨迹作为控制目标，控制实际的缆绳末端的返回舱的位置与目标轨迹拟合，使得缆绳最终以预定的轨迹展开释放；步骤六、判断返回舱是否到达预定位置，如果ｌ＝Ｌ、ｔ＝ｔｆ，则执行步骤七；否则，返回至步骤三；ｔｆ表示缆绳展开释放完成的时间点；ｔｆ与ｔ０之差表示缆绳展开释放需要的时间；ｔ０为缆绳展开释放的初始时间点；ｔｎ与ｔ０之差表示返回舱从起始点至离轨点需要的时间；步骤七、展开释放结束：在展开释放到预定的长度后，进行减速制动，并使返回舱逐渐回摆到当地铅垂位置，在到达铅垂位置后断开缆绳，释放返回舱使其进行下一步的再入返回。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：曹喜滨，郑鹏飞，孙兆伟，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：93
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