空间绳系组合体地面拖曳模拟技术研究

摘要

柔性绳网捕获方法相比刚性捕获方法具有较高的容错性、安全性以及作业距离长等特点，更加适合非合作目标的捕获操作。空间绳网系统是以大尺寸柔性绳网为工具，通过任务平台跟瞄、接近、绳网发射、收口等过程来实现对在轨目标物进行捕获的柔性系统。绳网收口锁紧目标物后，任务平台和目标物是通过系绳连接的，但两者仍是两个分散的刚体系统，需要有一个整定过程，即通过系绳的收放和张力控制等操作过程使这两个分散的刚体系统整定成一个稳定的绳系组合体，确保随后捕获拖曳等作业任务的顺利完成。
　　结合国家863项目计划及与航天研究院的合作项目，针对空间绳系组合体整定过程中的拖曳控制地面模拟试验任务，研究相应的地面模拟技术，综述了柔性捕获系统发展现状和绳系系统的动力学问题及相应的控制机构进展，通过研制地面用系绳收放装置（一种面内张力控制机构），探讨面内拖曳的系绳张力最优控制策略，进行拖曳过程中典型拖曳运动试验，验证拖曳策略和张力控制机构的有效性及其精度。具体内容有:
　　(1)研制适用于地面模拟任务的一种系绳收放长度和张力可测可控的系绳收放张力控制机构样机。并对样机进行系绳姿态入角、张力及收放速度等性能测试实验。
　　(2)针对地面质点运动绳系组合体，建立了面内双质点拖曳运动模型，结合最优控制理论，提出一种综合考虑整定过程花费时间和张力控制能耗的最优控制策略。
　　(3)利用由气浮平台和模拟器等组成的地面模拟系统，进行地面气浮平台模拟拖曳过程典型的恒张力跟踪试验和动态张力跟踪试验。试验结果表明张力控制机构样机具有较好的张力跟踪性能，能满足地面模拟拖曳移除控制试验要求。张力控制机构和张力控制技术有助于空间绳系组合体的整定过程和拖曳控制。

目录

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致谢

摘要

1 绪论

1．1 课题背景

1．2 柔性捕获系统发展现状

1．2．1 国内外研究现状

1．2．2 空间绳系组合体动力学及控制研究现状

1．3 系绳控制机构及目标物消旋技术现状

1．3．1 系绳控制机构研究现状

1．3．2 目标物消旋技术发展现状

1．4 本文的主要研究内容

2 系绳收放张力控制机构地面试验样机研制

2．1 引言

2．2 系绳收放张力控制机构实验样机功能需求分析

2．3 系绳收放张力控制机构样机研制

2．3．1 样机总体结构

2．3．2 各模块结构实现

2．3．3 样机电控系统

2．4 系绳收放机构样机接口要求及设计

2．4．1 接口要求

2．4．2 接口设计

2．5 样机单机测试

2．5．1 系绳姿态入角角度测试

2．5．2 系绳收放速度测试

2．5．3 阶跃张力跟踪测试

2 5 4 张力控制机构样机对不同系绳的张力跟踪控制测试

2．6 小结

3 面内质点模型拖曳的系绳张力最优控制策略

3．1 引言

3．2 最优控制理论

3 2 1 经典变分法的局限性

3 2 2 极大值原理

3．3 面内质点模型拖曳的系绳张力最优控制策略

3．3．1 模型设定

3 3 2 整定过程张力最优控制策略

3．4 小结

4 空间绳系组合体拖曳控制地面模拟试验

4．1 模拟器悬浮系绳张力跟踪控制试验

4．2 恒张力拖曳试验

4．2．1 连续喷气拖曳

4．2．2 间歇式喷气拖曳

4．3 模拟器定点消旋试验

4．4 小结

5 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

攻读学位期间取得的科研成果