空间绳网捕获后绳系组合体张力控制技术研究

摘要

空间绳网捕获是近年提出的一种新型柔性抓捕方式，具有抓捕容错性强、作业距离长及飞行器间耦合作用弱等优点，具有广阔的应用前景，是近年来空间研究的热点之一。空间绳网捕获系统涉及到力学、机械、电气、控制及材料等多个学科，在总体方案设计、动力学分析及控制系统设计等多个方面都存在较多的科学问题需要研究。空间绳网捕获系统捕获目标物的工作过程主要可分为任务平台跟瞄、接近、绳网发射、网口锁紧和位姿调整等过程。目标物捕获后可根据需要再动作，一般主要有拖曳、离轨等动作过程。任务平台和目标物是通过系绳连接的，系绳长度和张力的控制由安装在任务平台上的张力控制机构实现，可对目标物进行回收、释放和状态保持。但张力控制过程相对复杂，如绳网收口锁紧目标物后，任务平台和目标物仍是两分散的刚体系统，要通过系绳的收、放或张力保持等操作使任务平台与目标物之间实现动量交换或能量耗散，使两刚体的运动速度尽量保持一致，实现两刚体的有效连接，避免冲击、摆动、缠绕等问题的出现。鉴于国内外对这方面的研究不多，本论文在国家863计划项目和国家自然科学基金资助下，以空间绳网捕获后的绳系组合体为研究对象，针对上述张力问题，主要的研究工作和相应成果如下:
　　(1)提出了一种多功能、高效能的系绳张力控制机构。通过论证空间绳网捕获后系统可能存在的多种运动现象，对张力控制机构提出了系绳姿态角、绳长及张力等方面的功能需求，据此研制了张力控制机构样机，并分析讨论了张力控制机构的张力跟踪等各类静、动态性能。
　　(2)建立了考虑任务平台与目标物自身姿态及系绳二次非线性弹性的绳系组合体普遍动力学模型，进行了摆振耦合分析。根据组合体普遍动力学模型，仿真研究系统多个运动自由度之间的耦合情况，分析各种初始扰动对组合体运动的影响。利用摄动法给出了系统动力学简化模型的近似解析解，得到了系统稳态运行时产生内共振的条件，为绳网捕获系统的设计提供了理论基础。
　　(3)提出了一种防冲击防缠绕的组合体协调控制策略。建立包含张力控制机构机电系统及目标物姿态的系统机电耦合模型，为防止目标物捕获后的初始速度带来的冲击、系绳缠绕等问题，根据模型特点，提出了一种系绳张力与目标物转矩协调控制方法。数值仿真表明:在目标物只存在初始平动及同时存在初始平动与转动两种情形下，控制策略都是充分有效的。研制了地面气浮实验平台，进行了目标物初始平动情形下的防冲击缓冲释放实验，取得了良好的控制效果，验证了控制方法和技术的有效性。
　　(4)提出了一种组合体面内摆动抑制方法。借鉴秋千激荡原理的逆向思维，提出了一种面内摆动抑制控制方法，对地面恒重力场下的摆动系统进行了研究，数值仿真与实验验证了所提出的摆动抑制策略的有效性。进一步，将方法推广应用于空间绳系系统，数值仿真验证了此摆动抑制策略对空间绳系组合体的适用性。
　　(5)研究了Kevlar系绳纵向非线性特性及扭转耗散特性，提出了一种目标物被动消旋方法。设计了系绳纵向吊挂试验方案，试验表明系绳纵向刚度存在很强的非线性，利用三次函数和幂函数分别对试验结果进行了拟合，取得了良好的拟合效果。纵向加减载试验表明系绳存在较明显的迟滞效应，利用Kawabata应力—应变模型对试验结果进行了拟合，同样取得了良好的拟合结果。开展了系绳扭转试验，根据试验结果利用弹簧阻尼模型研究了系绳扭转耗散规律与扭转过程中的纵向缩短特性，着重研究了系绳扭转刚度与阻尼与系绳长度及系绳张力大小的关系。另外，针对捕获后绳系组合体绕系绳轴线方向存在的自旋运动问题，提出了利用扭转过程耗散能量的机构实现目标物被动消旋的方法，试验验证了方法的有效性。

目录

声明

致谢

摘要

图目录

表目录

1 绪论

1．1 课题背景

1．2 空间在轨捕获技术

1．2．1 刚性捕获系统

1．2．2 柔性抓捕系统

1．2．3 空间捕获技术的发展趋势

1．3 空间绳系系统及系绳模型

1．3．1 空间绳系系统

1．3．2 空间系绳模型

1．4 空间绳系验证试验

1．4．1 两体绳系卫星验证试验

1．4．2 绳系卫星编队飞行验证试验

1．4．3 绳系捕获系统验证试验

1．5 空间系绳控制机构研究现状

1．5．1 绳长控制机构

1．5．2 系绳张力控制机构

1．6 本文的主要研究内容

2 空间绳网捕获系统系绳张力控制需求分析和张力控制机构

2．1 引言

2．2 捕获过程及系绳控制需求分析

2．3 收口质量块设计

2．4 张力控制机构样机及测试

2．4．1 样机研制

2．4．2 样机张力跟踪性能测试实验

2．4．3 样机动态控制性能测试实验

2．4．4 张力控制机构方案优化

2．5 小结

3 捕获后绳系组合体普遍动力学及其摆振耦合特性

3．1 引言

3．2 绳系组合体普遍动力学方程

3．2．1 系统描述与假设

3．2．2 系统非线性动力学方程

3．3 拖拽过程仿真研究

3．3．1 组合体标准状态以及仿真参数

3．3．2 组合体初始摆角的影响

3．3．3 目标物初始角速度的影响

3．3．4 目标物初始姿态扰动的影响

3．3．5 仿真总结

3．4 系统摆振耦合分析

3．4．1 组合体简化模型及其近似解析解

3．4．2 算例研究

3．5 小结

4 捕获后绳系组合体防冲击防缠绕控制策略

4．1 引言

4．2 捕获后绳系组合体机电耦合模型

4．3 组合体防冲击防缠绕控制策略

4．3．1 目标物初始平动

4．3．2 目标物初始平动和转动

4．4 算例分析

4．4．1 初始平动

4．4．2 初始平动和转动同时存在

4．5 地面气浮实验平台设计及防冲击缓冲释放实验

4．5．1 地面气浮实验平台

4．5．2 悬浮下的防冲击释放实验

4．6 小结

5 捕获后绳系组合体面内摆动抑制策略

5．1 引言

5．2 空间绳系组合体摆动动力学模型及摆动特性分析

5．3 地面恒重力场下摆动系统抑制策略

5．3．1 地面恒重力场摆动模型动力学分析

5．3．2 地面恒重力场摆动抑制策略

5．3．3 恒重力场摆动抑制实验

5．3．4 摆动抑制方法改进

5．4 空间组合体面内摆动抑制

5．5 结论

6 Kevlar系绳非线性特性研究及目标物消旋技术

6．1 引言

6．2 系绳材料及编制方式选择

6．3 系绳纵向特性试验研究

6．3．1 系绳纵向非线性刚度特性

6．3．2 纤维试样Kawabata应力—应交模型介绍

6．3．3 Kevlar系绳迟滞试验及模型拟合

6．4 系绳扭转特性及目标物被动消旋技术

6．4．1 试验总体设计

6．4．2 系绳扭转耗散特性试验

6．4．3 系绳扭转过程中的纵向缩短特性

6．4．4 目标物被动消旋技术

6．5 小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

攻读学位期间取得的科研成果