[发明专利]一种广域天梯系统攀爬器数量及速度优化方法

说明书

本发明提供了一种广域天梯系统攀爬器数量及速度优化方法，包括：根据航天运输的总体需求和天梯系统绳索材料参数，确定广域天梯系统的顶点锚质量；建立多攀爬器运动的动力学模型，分析攀爬器运动特性引起的科氏力变化以及导致的天梯绳索振荡运动模型，同步建立多攀爬器运动特性对应的功率模型；根据天梯绳索振荡运动模型、以及多攀爬器运动特性对应的功率模型，建立广域天梯系统攀爬器数量及速度优化模型，确定其优化目标和约束条件；以攀爬器数量和速度作为优化变量，结合优化目标和约束条件对优化模型进行求解。本发明以攀爬器速度和数量为优化变量，且充分考虑了大气环境对运行速度的影响，有利于得到优异的天梯系统总体方案。

技术领域

本发明属于天梯系统优化控制领域，特别涉及一种广域天梯系统攀爬器数量及速度优化方法。

背景技术

天梯是一种将有效载荷从地球表面运送到空间的新型进入空间的运输系统，其原理为通过绳索将地球表面的锚点与位于对地静止轨道(The geostationary orbit，GEO轨道)上方的空间锚点连接，通过运行于缆绳上的载荷舱(攀爬器)将有效载荷送入空间。天梯系统的基本组成如图1所示，整体天梯系统主要由天梯绳索、地球表面节点、GEO点平台、顶点锚、攀爬器以及能源系统等构成。

攀爬器沿天梯绳索运动过程中，由于受科氏力的影响，攀爬器不同的爬升速度会引起天梯绳索的振荡，振荡摆角持续积累会引起天梯系统偏离固有平衡位置，威胁其他轨道卫星安全，并对天梯系统的安全性造成极大隐患。同时，攀爬器攀爬过程中，需要极大的能源供应，为了降低能源系统规模，提高天梯系统的工程实用性，需要考虑爬升过程的总功率，降低爬升过程中的总功率需求，对减少天梯系统的能源规模极有益处。

Cohen等在《The effect of climber transit on the space elevatordynamics》中研究了攀爬器在特定的加速、匀速、减速三段式运行规律下造成的系统残余振荡。《天梯系统特征参数设计及动力学研究》中提到了七段式攀爬器速度优化方法，引入攀爬器反向运行过程，追求单次攀爬引起的系统残余振荡为零。三段式和七段式速度优化方案在优化求解过程中均未考虑大气对攀爬器运动速度的限制，也未考虑攀爬器运行速度对能源系统的巨大影响。尽管七段式的速度优化方案能够很好的抑制系统的残余振荡，但其出发点以单个攀爬器引起的绳系振荡影响最小，未从天梯系统设计的全局考虑，没有将天梯系统的攀爬器数量作为设计因素，不能得到全局更优的天梯系统总体方案。

发明内容

为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种广域天梯系统攀爬器数量及速度优化方法，优化变量除攀爬器速度外，还引入攀爬器数量作为优化变量，以一个运输周期内多个攀爬器共同作用引起的天梯系统残余振荡最小和总功率最小为优化目标，有利于得到最优的天梯系统总体方案。与三段式和七段式速度优化方案相比，本发明不仅考虑了大气对攀爬器攀爬速度的影响，同时不似三段式和七段式速度优化方案设定巡航速度，可全程在线对攀爬器运行速度进行实时优化调整，从而完成本发明。

本发明提供了的技术方案如下：

一种广域天梯系统攀爬器数量及速度优化方法，包括：

S1，根据航天运输的总体需求，确定天梯系统的运载能力、运输周期和绳索的长度；根据选定的天梯系统绳索材料参数对绳索质量微元进行受力分析，确定广域天梯系统的顶点锚质量；

S2，建立多攀爬器运动的动力学模型，分析攀爬器运动特性引起的科氏力变化以及导致的天梯绳索振荡运动模型，同步建立多攀爬器运动特性对应的功率模型；

S3，根据天梯绳索振荡运动模型、以及多攀爬器运动特性对应的功率模型，建立广域天梯系统攀爬器数量及速度优化模型，确定其优化目标和约束条件；

S4，使用伪谱优化算法，以攀爬器数量、攀爬器速度参数作为优化变量，结合优化目标和约束条件对广域天梯系统攀爬器数量及速度优化模型进行求解。