[发明专利]刚-柔耦合空间带状绳系系统的建模方法

说明书

本发明公开了一种刚‑柔耦合空间带状绳系系统的建模方法，包括：建立固结于地球质心O_E的惯性坐标系O_E‑X_EY_EZ_E，其X_E轴指向升交点，Z_E轴垂直于轨道平面；建立一系列固结于系统离散单元的体坐标系o_i‑x_iy_iz_i；以航天器质心o为原点再构建一个轨道坐标系o‑xyz，其x轴指向航天器运动的反方向，y轴由地球质心O_E指向主星质心o。惯性坐标系O_E‑X_EY_EZ_E用于建立并计算带状绳系系统动力学方程；体坐标系o_i‑x_iy_iz_i用于分析离散单元的刚体运动；轨道坐标系o‑xyz用于展现数值结果。将带状系绳均匀离散为n个系绳单元，以获得接近真实系绳的模型。基于牛顿第二定律及动量矩定理，本发明充分考虑了空间带状系绳的拉伸、弯曲及扭转特性，准确而有效地描述刚‑柔耦合空间带状绳系系统的复杂动力学行为。

技术领域

本发明涉及航天器控制技术领域，具体是一种刚-柔耦合空间带状绳系系统的建模方法，该方法可准确描述空间带状系绳的拉伸、弯曲、扭转等动力学特性，并有效地揭示航天器(及末端载荷)刚体与空间柔性带状系绳间的刚-柔耦合关系。

背景技术

为了节约空间资源和提高效率，人们通常利用导电的带状系绳代替空间绳系系统终端的电荷采集装置，构成一个空间带状绳系系统，其在航天器离轨、碎片移除、轨道再推进等领域都有着广泛的应用前景。值得注意的是，当带状系绳被置于空间环境并与航天器本体耦合时，由于没有大气阻尼，这导致其一旦受到摄动作用便会持续摆动，极易产生一系列极为复杂的非线性现象；同时，离子场-力-电-磁-热多场耦合作用也可能使系统姿态运动能量不断增加而导致系统失稳。所以，该空间带状绳系系统具有刚-柔耦合、强非线性、大变形等特点，目前已引起学者们的广泛关注。譬如，Fujii等指出在T-Rex空间任务中已实现对一根宽25mm、厚50μm带状系绳的成功释放。Mantellato等数值研究了一根数公里长带状系绳的释放过程，并讨论了该系绳末端载荷的姿态动力学及稳定性。Kunugi等利用欧拉角研究了带状系绳的弯曲及扭转振动并通过一组地面实验验证了其的数值结果。Khan等则对航天器离轨过程中带状系绳的生存问题进行了深入探讨。

通过对已有的研究成果关注可以发现，西方发达国家已开始了对带状绳系系统进行地面甚至空间实验，但仅局限于可行性论证尚无法深刻揭示该系统的动力学现象。另外，在带状系绳离轨问题的研究中通常采用的都是理想带状绳模型，该模型忽略了系绳可能存在的拉伸、弯曲、扭转等特性，因此在对本征问题的描述仍存在不足。

发明内容

针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种刚-柔耦合空间带状绳系系统的建模方法，本发明的建模方法可精确刻画卫星刚体运动及系绳拉伸、弯曲、扭转等动力学特性。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明的一种刚-柔耦合空间带状绳系系统的建模方法，包括步骤如下：