[发明专利]一种空间碎片绳系拖拽消旋和清理方法

摘要

本发明公开的一种空间碎片绳系拖拽消旋和清理方法，涉及空间碎片消旋和清理方法，属于航天技术领域。本发明通过发射拖车航天器进入轨道，完成与碎片的交会；借助多根系绳将拖车与碎片连接；建立动力学模型，设计控制律调节系绳的名义绳长改变系绳张力，在多根绳配合下使碎片消旋，避免碎片上突出部件对系绳切割断裂，提高绳系拖车系统的稳定性和冗余度；借助拖车发动机点火，施加反向拖拽，将空间碎片拉入大气层烧毁，完成碎片清理。本发明能够对空间碎片消旋，避免碎片上突出部件对系绳切割断裂，提高系统稳定性，此外，通过增加系绳数量提高系绳冗余度。本发明可用于空间碎片的消旋和清理。也可用于其它非合作目标的消旋与控制。

主权项

1.一种空间碎片绳系拖拽消旋和清理方法，其特征在于：包括：步骤一：发射拖车航天器进入轨道，完成与碎片的交会；步骤二：借助两根系绳将拖车与碎片进行连接；步骤三：借助绳长收放装置调节两根系绳的绳长，从而改变系绳张力，在两绳配合之下使碎片消旋，避免碎片上的突出部件对系绳产生切割断裂，提高绳系拖车系统的稳定性和冗余度；步骤3.1：建立绳系拖车系统的动力学模型；为描述拖车‑碎片组成的系统的运动，定义轨道坐标系C0x0y0z0如下，原点C0位于系统质心；x0轴沿当地铅垂方向由地心指向外；y0轴在碎片轨道平面内与x0轴垂直，指向碎片运动方向；z0轴垂直于碎片轨道平面，构成右手坐标系；为描述碎片的姿态，定义碎片本体坐标系C2x2y2z2如下，原点C2位于碎片质心；三个坐标轴为碎片刚体的三个惯量主轴；拖车产生的推力矢量F大小定常，方向始终沿‑y0轴，即在C0x0y0z0系下有F＝[0,‑F,0]；两根系绳在碎片上的两个连接点的坐标由C2x2y2z2系下的矢量ρa＝[xa,ya,0]和ρb＝[xb,yb,0]给出；下标a和b分别对应a绳和b绳；选取φ、γ、l三个变量作为系统的广义坐标，φ是x2轴与当地铅垂方向的夹角，顺时针方向为正；γ是碎片拖车质心连线与当地水平方向的夹角，顺时针方向为正；l是碎片质心与拖车质心之间的距离；借助拉格朗日方程得到由广义坐标表示的系统运动微分方程如公式(1)、(2)、(3)所示，即建立双绳系拖车系统的动力学模型，其中，μ＝3.986005×10¹⁴m³/s²为地球引力参数；J_x、J_y和J_z是碎片刚体的主轴转动惯量；是拖车质量m₁和碎片质量m₂的函数，F是发动机推力幅值；R₀是绳系拖车系统质心C₀与地心的瞬时距离；ω₀和ε₀分别是坐标系C₀x₀y₀z₀的瞬时角速度和角加速度；ξ_a、η_a和K_a的表达式分别如公式(4)、(5)、(6)所示，ξa＝xacos(φ‑γ)+yasin(φ‑γ)  (4)ηa＝xasin(φ‑γ)‑yacos(φ‑γ)  (5)其中，ka＝EA/la0和ca＝DA/la0分别是a绳的刚度系数和结构阻尼系数，E是杨氏模量，D是阻尼系数，A和la0分别是a绳的横截面积和名义绳长；H(·)是赫维赛德阶跃函数；a绳的实际绳长由广义坐标表出如公式(7)所示，ξb、ηb、Kb和lb的表达式只需将式(4)—(7)中的下标a替换成b即可；步骤3.2：设计控制律调节两根系绳的名义绳长，从而改变系绳张力，在两绳配合之下使碎片消旋，避免碎片上的突出部件对系绳产生切割断裂，提高绳系拖车系统的稳定性和冗余度；拖车航天器上安装有绳长收放装置，调节两根系绳的绳长长度la0和lb0间接改变系绳张力，从而将碎片的旋转抑制下来；控制目标是将碎片的姿态稳定在给定值φ＝φd，同时，为了避免碎片与拖车距离太近发生碰撞，要求将碎片和拖车的质心距离控制到给定值l＝ld；为方便设计控制律，将方程(1)和(3)重新分别改写成如公式(8)、(9)所示，其中，hφ、fφ、gφ、hl、fl和gl表达式由式(1)和(3)推导得到；引入虚拟控制输入uφ和ul分别如公式(10)、(11)所示，则控制律设计为公式(12)、(13)，其中，κφd、κφp、κld和κlp是取正值的控制增益；两根系绳的名义绳长则由式(10)和(11)解出，借助拖车航天器上的绳长收放装置按照式(14)解算出的名义绳长值来调节两绳绳长，则能够实现将旋转的碎片稳定在给定的姿态φ＝φd，同时将碎片和拖车的质心距离稳定在给定值l＝ld，避免碎片上的突出部件对系绳产生切割断裂，提高绳系拖车系统的稳定性，通过两根系绳提高绳系拖车系统的冗余度；步骤四：拖车发动机点火，施加反向拖拽，将空间碎片拉入大气层烧毁，从而完成整个碎片清理过程。