[发明专利]一种柔性绳网系统捕获小行星的控制运动参数计算方法

说明书

本发明提出一种柔性绳网系统捕获小行星的控制运动参数计算方法，属于小行星探测领域。该方法在小行星本体坐标系下，依次建立柔性绳网的力学模型、小行星引力场模型和小行星表面模型；通过小行星表面模型与柔性绳网的力学模型构建柔性绳网系统碰撞动力学模型；设计柔性绳网每个控制器在坐标系三个方向上的控制输入，进而建立柔性绳网系统动力学模型并求解，最终得到柔性绳网系统捕获小行星的控制运动参数。本发明通过引入球谐参数曲面数学模型以及滑模控制方法，求解柔性绳网位移矢量与速度矢量随时间的变化，可实现对柔性绳网系统在小行星引力场中的展开、接近及捕获过程进行仿真，利用本发明可以解决柔性绳网系统对小行星进行捕获的难题。

技术领域

本发明属于小行星探测领域，具体涉及一种柔性绳网系统捕获小行星的控制运动参数计算方法。

背景技术

即使是一颗直径为百米左右的小行星，也蕴含着丰富的矿物资源，比如黄金、稀土、铂等及其他金属氧化物。如果能将小行星捕获至地球，将会有取之不尽的资源供人类利用。迄今为止，对于小行星的捕获机构、捕获方案却很少有人研究。近年来，柔性绳网系统在太空探索中的巨大潜力逐步引起人们的重视。柔性绳网系统由柔性绳网与连接在柔性绳网角点的控制器组成，柔性绳网系统中柔性绳网的构型及控制器的数量可根据任务背景进行设定。现阶段对柔性绳网系统的研究主要关注其在空间碎片捕获任务中的应用，采用柔性绳网系统作为捕获机构，对小行星进行捕获的仿真研究尚属于空白。考虑到柔性绳网系统具备较大的灵活性及较强的机动性，故采用其对具有复杂形状的小行星进行捕获，在未来空间探测任务中具有极为广阔的应用前景。采用数值仿真的手段对此捕获过程进行前期模拟，即仿真计算得到柔性绳网系统在小行星引力场中的运动轨迹、运动速度，从而有效规避实际任务中柔性绳网系统初始展开位置、初始发射速度设置不当，也可为实际捕获任务中柔性绳网系统的构型设计、材料的选取进行有效指导。

发明内容

本发明的目的是为了填补已有技术空白，提出一种柔性绳网系统捕获小行星的控制运动参数计算方法。本发明可求解其位移矢量与速度矢量随时间的变化，进而对柔性绳网系统在小行星引力场中的展开、接近及捕获过程进行仿真，利用本发明可以解决柔性绳网系统对小行星进行捕获的难题。

本发明提出一种柔性绳网系统捕获小行星的控制运动参数计算方法，其特征在于，该方法在小行星本体坐标系下，依次建立柔性绳网的力学模型、小行星引力场模型和小行星表面模型；通过小行星表面模型与柔性绳网的力学模型构建柔性绳网系统碰撞动力学模型；设计柔性绳网每个控制器在坐标系三个方向上的控制输入，进而建立柔性绳网系统动力学模型并求解，最终得到柔性绳网系统捕获小行星的控制运动参数。该方法包括以下步骤：

1)建立小行星本体坐标系；

2)建立柔性绳网的力学模型，计算柔性绳网中每个绳段单元的内力；具体步骤如下：

2-1)将柔性绳网中的每根绳均分为初始长度相等的绳段单元，然后使用弹簧阻尼元件近似替代每个绳段单元，绳段单元质量由在绳段单元两端的节点的质量替代；

2-2)获取柔性绳网的弹性模量E，阻尼比ζ，泊松比υ，截面积A，密度ρ_s，确定第i个绳段单元中弹簧元件的刚度系数k_i，第i个绳段单元中阻尼元件的阻尼系数c_i，进而确定第i个绳段单元的力学模型，表达式如下：

其中，l_i为第i个绳段单元的当前长度；

2-3)根据式(1)与式(2)，确定柔性绳网中第i个绳段单元的内力计算表达式如下：