[发明专利]一种局部空间电梯系统系绳内部张力预测方法

说明书

本发明公开了一种局部空间电梯系统系绳内部张力预测方法，包括以下步骤：局部空间电梯系统的平面运动在系中，其中，系以母星作为动坐标系的原点，由于母星的质量大于电梯舱及作业航天器的质量，母星的轨道不受子星运动影响，θ₁及θ₂表示系绳与Ox之间的夹角，母星与电梯舱之间的系绳长度为L₁，电梯舱与作业航天器之间的系绳长度为L₂，电梯舱m₁的引力矢量及作业航天器m₂的引力矢量分别为G₁及G₂，构建电梯仓本体的动力学方程；计算局部空间电梯系统中系绳的固有张力T₀；根据电梯仓本体的动力学方程得电梯舱主动力产生的张力；计算局部空间电梯系统中上下两端系绳内部的张力T₁及T₂，该方法能够预测局部空间电梯系统中系绳的内部张力。

技术领域

本发明属于航天技术领域，涉及一种局部空间电梯系统系绳内部张力预测方法。

背景技术

随着空间技术的发展，空间任务日趋多样化和复杂化。在众多的空间系统中，局部空间电梯系统是有着广阔应用前景的在轨服务系统。该系统能实现十公里到百公里量级轨道梯度差的航天器之间的货物与人员运输，从而避免了空间平台近距离的逼近和停靠带来的碰撞风险，减少燃料消耗，可大幅度提高空间平台在任务执行过程中的安全性。

目前的局部空间电梯系统多为三体绳系结构，即由三个航天器和连接在它们之间的系绳组成。系绳的材料多为凯夫拉-29，凯夫拉-49或高强度柔性金属纤维；绳子长度十公里到百公里量级。

尽管局部空间电梯系统有着诸多的优点和广阔的应用前景，然而对于这种系统的张力预测始终是一个难题。在电梯运行过程中，两个端体的位置是基本不变的，而从工程角度出发，电梯舱的运行会产生对缆绳额外的张力，这种张力会使系统上下两部分系绳的张力产生变化，一旦附加张力使得某一段系绳上的张力为负值，则整个系统模型的动力学假设将被推翻，进而使得其动力学方程失效。在这种情况下，一切基于原有动力学模型所建立的分析和控制都将失效，系统将完全处于无法预测的状态。为了使得局部空间电梯系统的运动处于可预测的范围之内，对于局部空间电梯系统系绳内部的张力预测成为一项迫切的任务。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种局部空间电梯系统系绳内部张力预测方法，该方法能够预测局部空间电梯系统中系绳的内部张力。

为达到上述目的，本发明所述的局部空间电梯系统系绳内部张力预测方法包括以下步骤：

局部空间电梯系统的平面运动在动坐标系系中，其中，系以母星M作为动坐标系的原点，M-e_r的方向为沿地心到母星方向指向外，垂直于M-e_r，整个系沿任一开普勒轨道运行，由于母星的质量大于电梯舱及作业航天器的质量，因此母星的轨道不受子星运动影响；

在局部空间电梯系统中，母星、电梯舱及作业航天器顺次由两条系绳相连，其中，母星与电梯舱之间的系绳长度为L₁，电梯舱与作业航天器之间的系绳长度为L₂，电梯舱m₁的引力矢量及作业航天器m₂的引力矢量分别为G₁及G₂，θ₁及θ₂分别表示局部空间电梯系统中系绳L₁及系绳L₂与M-e_r之间的夹角，构建电梯仓本体的动力学方程；

计算局部空间电梯系统中系绳的固有张力T₀为：

根据电梯仓本体的动力学方程得电梯舱主动力产生的张力T：