面向人工重力技术的绳系自旋航天器系统动力学与控制研究

摘要

长期的失重飞行会给航天员的生理心理带来巨大的影响，解决这一问题的根本办法是在太空飞行中创造出人工重力的环境。本文研究的绳系自旋航天器系统利用自身的旋转产生离心力模拟重力，为航天员创造出人工重力场。
　　本文首先对自旋面与轨道面重合的平面绳系自旋航天器系统进行分析，忽略系绳的柔性及质量，将系统简化为哑铃模型。利用牛顿欧拉法建立了绳长固定的平面绳系自旋航天器系统动力学模型，数值仿真的结果显示航天员所受过载与地表附近的过载值相当，且其波动频率避开了人体特别敏感的频段。此外在不同的绳长条件下对航天员受到的过载进行了对比分析。在此基础上对空间内任意轨道、自旋面与轨道面成任意角度的绳系自旋航天器系统建立了动力学模型，并进行了分析。
　　随后考虑绳长变化的情况，利用拉格朗日分析力学的方法建立了展开过程的动力学模型。以平面绳系自旋航天器系统为例，在对展开过程进行控制时，考虑了几种不同的控制方法：系绳张力控制、切向推力控制以及系绳张力和切向推力混合控制。其中针对仅系绳张力控制利用非线性规划的方法对展开过程进行了优化，得到了最优的释放时间。
　　最后利用MATLAB与STK将绳系自旋航天器系统不同阶段的状态进行了进行联合仿真演示。

目录

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注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究内容与结构安排

第二章 绳长固定的绳系自旋航天器系统动力学建模与分析

2.1 引言

2.2 面内绳系自旋航天器系统动力学

2.3 三维空间绳系自旋航天器系统动力学

2.4 本章小结

第三章 绳系自旋航天器系统展开过程的动力学建模与控制

3.1 引言

3.2 展开过程动力学建模

3.3 系绳张力控制

3.4 切向推力控制

3.5 切向推力和系绳张力混合控制

3.6 本章小结

第四章 绳系自旋航天器系统的演示

4.1 MATLAB与STK软件介绍与互联

4.2 MATLAB与STK联合仿真

4.3 本章小结

第五章 全文总结与展望

5.1 工作总结

5.2 存在的不足与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文

附录