[发明专利]一种失效充液航天器的绳系拖曳消旋与离轨方法

说明书

本发明的目的是为了解决现有空间碎片清理过程存在清理效率低的问题，提供一种失效充液航天器的绳系拖曳消旋与离轨方法。该方法利用绳系拖曳系统，考虑了液体晃动和柔性绳的特性，在三维空间中建立了系统模型，并针对该系统设计了一种姿轨一体化控制方法，仅通过拖船推进器实现拖曳空间碎片的同时稳定碎片姿态，有效地将带燃料的空间碎片稳定拖曳至预定轨道，能够高效率地清除空间中带有剩余燃料的大型空间碎片。

技术领域

本发明涉及一种绳系拖曳离轨方法，尤其涉及一种失效充液航天器的绳系拖曳消旋与离轨方法，适用于带剩余液体的大型空间碎片清除过程，属于航空航天技术领域。

背景技术

近几十年随着人类对太空的不断探索，近地空间技术为人们在通信、导航、天气预测、深空探测等方面带来极大便利，地球轨道资源日益受到各国的重视。但是人类的空间活动受到了空间碎片的威胁，其与航天器的对撞速率能够达到10km/s，破坏力巨大。在轨航天器会被较大的空间碎片直接摧毁，而较小的空间碎片也会对航天器表面甚至内部造成难以修复的损伤，缩短航天器使用寿命。空间碎片大量堆积降低了人们对空间资源的利用率，并对载人航天器的飞行安全造成严重威胁，尤其对于长期在轨的航天器。国际空间站为躲避太空高速碎片,已经多次变轨。大型的空间碎片若被迫再入大气层，可能还会对地面的人类生存空间和自然生态系统构成巨大威胁。Donald J.Kessler在1978年提出凯斯勒现象(Kessler Syndrome)，预示随着空间碎片的数量增加，其碰撞概率会突增，进而产生更多的碎片。若达到一定数量级，这种级联效应会致使近地空间报废。实际上，2009年美国铱星33未能躲避已失效的俄罗斯宇宙2251，两者的碰撞制造了数千个大大小小的空间碎片。这似乎证实了空间碎片之间碰撞的凯斯勒现象已经被触发。Liou等通过数值模拟证明，为了实现安全稳定的近地轨道环境，每年必须主动清除至少五个大型空间碎片。

目前用于主动碎片清除(ADR)的所有技术中，绳系拖曳“Tethered Space-tug(TST)”概念是最有前途的技术之一。绳系拖曳系统是近年衍生于空间绳系卫星系统的一种定义，其在卫星捕获、深空探测及大型空间碎片清理等方面有广阔的工程应用前景。绝大多数TST系统研究中都将碎片视为纯刚体，而现今的绝大多数航天器使用的是液体推进剂。随着航天任务复杂程度提升，液体推进剂的质量占比也不断提升，因此TST系统中大型空间碎片的液体残余情况应当被考虑。2019年4月，波音公司的大容量通信卫星IS-29e在服务寿命刚达到20％的时候就因遭遇了推进系统故障而失联。其油箱中的残余燃料将对清除任务带来不少麻烦。大量液体的晃动会产生较大的干扰力矩和力，若超过系统调节的范围，将会造成系统控制失效或结构损坏。柔性绳和液体晃动带来的强非线性和强耦合性，使得系统的运动难以预测。目前仅在先技术[1](Aslanov V S,Yudintsev V V.The motionoftethered tug–debris system with fuel residuals[J].Advances in SpaceResearch,2015)中将液体晃动考虑进了TST系统，但并没有考虑柔性绳的特性，在实际拖曳过程中，柔性绳的特性对系统影响较大，所以上述模型难以准确预测系统的运动状态；且未考虑该系统拖曳过程中的控制，在实际拖曳过程中碎片的旋转可能导致系绳缠绕或断裂，若不对拖曳过程中的系统加以控制，则任务成功率极低。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有空间碎片清理过程存在清理效率低的问题，提供一种失效充液航天器的绳系拖曳消旋与离轨方法。该方法利用绳系拖曳系统，考虑了液体晃动和柔性绳的特性，在三维空间中建立了系统模型，并针对该系统设计了一种姿轨一体化控制方法，仅通过拖船推进器实现拖曳空间碎片的同时稳定碎片姿态，有效地将带燃料的空间碎片稳定拖曳至预定轨道，能够高效率地清除空间中带有剩余燃料的大型空间碎片。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：