[发明专利]一种简化的飞网捕获空间碎片动力学建模方法

说明书

一种简化的飞网捕获空间碎片动力学建模方法，建立任务星和目标星的轨道动力学方程和姿态动力学方程，以及建立系绳动力学模型，以绳结为一个轻质量点建立绳结的轨道动力学方程，得到绳结点的位置，将绳网简化为4根系绳对目标星的张力作用，根据绳结点位置通过系绳动力学模型计算目标星受到各系绳的张力。本发明简化了网捕目标的绳网建模过程。

技术领域

本发明涉及绳网组合体动力学建模技术，尤其涉及一种简化的飞网捕获空间碎片动力学建模方法。

背景技术

自1957年第1颗人造卫星升空以来，航天器应用与人类社会的发展愈加紧密，但随着进入外层空间物体数量的不断增加，空间碎片环境问题也愈发突出，对在轨航天器构成了研制的威胁。随着各国对通信、广播、气象、导航等领域需求的增长，进入GEO轨道这一有限空间内的飞行器越来越多，愈加拥挤，GEO轨道垃圾清除的需求显得尤为迫切。

在人类未来的空间活动中，由系绳、航天器和卫星组成的空间绳系卫星系统将作为一种新型技术用于包括绳系释放在内的相对复杂的太空任务。例如，构成大型空间结构、星间动量转移、太空垃圾移除以及人造重力等。鉴于空间绳系卫星轻便、节能及可重复使用等特点，美国国家航空航天局(NASA)、意大利航天局(ASI)、加拿大航天局(CSA)、美国海军研究实验室(NRL)、日本宇宙科学研究所(ISAS)以及欧洲太空局(ESA)等研究机构已进行了数十次绳系卫星在轨试验。

绳网捕获目标后，操控飞行器和目标飞行器构成以系绳为连接介质的柔性组合体，该组合体在空间的运动涉及到组合体质心的轨道运动、操控飞行器和目标飞行器的两体相对运动以及二者之间的耦合动力学，如何高效安全地将柔性组合体移除成为研究重点。由于绳网具有阻尼小、柔性大的特点，其动力学及控制问题非常复杂，亟需一种能够简化绳网模型的动力学建模方法。

发明内容

本发明提供一种简化的飞网捕获空间碎片动力学建模方法，简化了绳网模型的建模过程。

为了达到上述目的，本发明提供一种简化的飞网捕获空间碎片动力学建模方法，包含以下步骤：

步骤S1、建立任务星和目标星的轨道动力学方程和姿态动力学方程，以及建立系绳动力学模型；

步骤S2、以绳结为一个轻质量点建立绳结的轨道动力学方程，得到绳结点的位置；

步骤S3、将绳网简化为4根系绳对目标星的张力作用，根据绳结点位置通过系绳动力学模型计算目标星受到各系绳的张力。

所述的步骤S1包含以下步骤：

步骤S1.1、建立任务星和目标星的轨道动力学方程；

地心惯性系下任务星轨道动力学方程为：

地心惯性系下目标星轨道动力学方程为：

其中，μ为地球引力常数，M_m为任务星质量，M_t为目标星质量，r_m为任务星质心在惯性系中的矢量，r_t为目标星质心在惯性系中的矢量，F_th为任务星上施加的轨控推力，F_T为系绳张力；

步骤S1.2、建立任务星和目标星的姿态动力学方程；

任务星的姿态动力学方程为：

目标星的姿态动力学方程为：