[发明专利]带状绳系卫星释放动力学模型构建方法

说明书

本发明公开了带状绳系卫星释放动力学模型构建方法，涉及航天器控制领域，能够准确描述空间带状系绳在释放过程中复杂的构型变化，并有效地揭示具有不同弯曲刚度的带状系绳对系统动力学的影响，准确反映带状系绳在释放过程中的构型变化。本发明包括：将空间带状系绳均匀离散为若干个刚体单元，建立单个刚体单元的动力学方程、刚体单元间的约束方程，其中，根据释放阶段系绳释放出长度的不断变化，将刚体单元间的约束方程分为三类，分别为：主星中未释放出的单元间的约束、正在释放的刚体单元与上一个单元间的约束、已经释放出的单元间的约束，再根据释放过程中刚体单元间的约束方程，最终推导得到带状绳系卫星系统释放过程的动力学方程。

技术领域

本发明涉及航天器控制领域，尤其涉及了带状绳系卫星释放动力 学模型构建方法。

背景技术

空间带状绳系卫星不同于传统的绳系卫星系统，其是由宽度远大 于厚度且具有一定弯矩和扭矩、起连接作用的带状金属绳及在轨航天 器和末端载荷三者构成。带状绳系卫星大大提高了系统的空间生存率， 同时，在空间探测、卫星机动、太空垃圾清理等领域有着广泛的应用。 值得注意的是，由于该系统模型的复杂性，Masakazu等研究了考虑弯 曲和扭转的带状系绳的动力学特性，并利用数值计算研究了带状系绳 的非线性行为。Sanmartín等研究了带状电动力系绳和普通系绳在收 集电荷方面的差异，研究表明在系绳达到相同电流情况下，需要的带 状系绳长度比普通系绳长度短，即相同条件下，带状系绳离轨任务时 间更短。Kunugi等提出了一种利用智能薄膜传感器对绳带弯曲和扭转 振动类型进行区分的方法，对其可行性进行了研究；并利用多体动力 学模型和数值计算方法建立了带状系绳的运动方程，研究了绳带弯曲 和扭转振动的动力学行为。Yu等研究了带状绳系卫星系统的刚柔耦合 建模与动力学响应问题，采用刚性单元将带状系绳离散为以等效线性 弹簧和阻尼器作为相邻刚性单元连接点的刚体系统，并研究了环境摄 动对带状电动力绳系卫星系统动力学响应的影响。

通过对前人研究成果的讨论可以发现，西方发达国家科研人员已 关注到带状绳系卫星系统的重要性，但对该系统的动力学建模尚不成 熟，无法真正揭示系统的动力学现象。特别地，对空间带状系绳释放 过程的构型变化更是无法准确描述。

发明内容

本发明提供了带状绳系卫星释放动力学模型构建方法，能够准确 描述空间带状系绳在释放过程中复杂的构型变化，并有效地揭示具有 不同弯曲刚度的带状系绳对系统动力学响应的影响，准确反映带状系 绳在释放过程中的构型变化。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

带状绳系卫星释放动力学模型构建方法，适用于带状绳系卫星系 统。带状绳系卫星系统包括：空间带状系绳、系绳所连接的在轨航天 器，即主星M、在轨航天器的末端载荷，即子星S。

固结于地球质心O的惯性坐标系O-XYZ，其X轴指向升交点，Z轴 垂直于在轨航天器的轨道平面；以主星M的质心o为原点的轨道坐标 系o-xyz，其x轴指向在轨航天器运动的反方向，y轴由地球质心O指向 主星的质心o；固结于在轨航天器、末端载荷及系绳刚体单元质心的 以3个主平面法线方向作为其方向的主轴坐标系o_i-x_iy_iz_i，i为正整数。

带状绳系卫星释放动力学模型构建方法，包括：

S1、将空间带状系绳均匀离散为n个刚体单元C_i(i＝1,2,...,n)，同时 将刚体单元的质量标记为m_i(i＝1,2,...,n)，在轨航天器M和末端载荷S 分别记为刚体单元C₀和刚体单元C_n+1。

由于带状绳系卫星系统中系绳的形状是扁平状的，其系绳宽度远 大于厚度，故设系绳长度为L，宽度为d_w，厚度为d_t(d_w＞＞d_t)。