一种升降轨双模式的电动力绳系轨道转移方法及系统

摘要

本发明涉及一种适用于升降轨双模式的电动力绳系轨道转移方法及系统，系统包括：导电绳系、等离子体接触器、释放展开及回收装置、绳系控制单元。变轨阶段，针对导电绳系采取电流开断控制策略，实时监测系统运动状态，确定电流回路开或断。本发明实现飞行器升降轨双模式复用一套绳系系统，考虑轨道转移的升轨和降轨的兼容性和适应性，紧密结合任务应用模式，控制策略简化了对飞行器平台的控制要求，工程易实现。

说明书

技术领域

本发明属于电动力绳系推进技术领域，特别是一种适用于升降轨双模式的电动力绳系轨道转移方法及系统。

背景技术

利用电动力绳实现推进，推进过程中不需要消耗飞行器所携带的推进剂，可有效降低飞行器重量。对于长期在轨的空间运输飞行器，在轨道维持及轨道转移时间要求不高的情况下，可利用电动力绳推进。由于绳系可进行释放回收，实现在轨重复利用，因此，可大量节省纯用化学推进所消耗的推进剂，延长在轨飞行器的工作寿命。

目前，国内外的研究重点在利用电动力绳进行离轨，研究电动力绳进行升轨的文献较少。文献“基于电动力绳系的航天器离轨方式初步研究”(作者：徐大富，孙克新，孔宪仁，王本利)，对电动力绳系离轨装置进行了研究,建立了数学模型,推导出离轨时间预估公式,对离轨的过程进行了数学仿真。文献“绳系卫星释放和回收的动力学控制”研究释放和回收环节的相关动力学与控制问题(作者：文浩)。文献“Performance Analysis ofElectrodynamic Tether Orbit Transfer System for Round Trip Mission”研究了电动力绳轨道转移的性能分析。综合国内外研究文献来看，电动力绳推进方法和系统研究还存在以下不足：

1)大部分研究集中在降轨模式，升轨模式研究较少，应用于升降轨的任务模式研究还没有太多涉及；

2)电动力绳系统设计，未考虑轨道转移的升轨和降轨的兼容性和适应性；

3)动力学控制方案没有考虑全阶段的设计，未和任务应用模式紧密结合，且一般控制策略研究不太考虑工程化的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明提出一种适用于升降轨双模式的电动力绳轨道转移方案，解决了轨道转移的升轨和降轨的兼容性和适应性问题，简化了对飞行器平台的控制要求，工程易实现。

本发明的技术解决方案包括以下步骤：

一种升降轨双模式的电动力绳系轨道转移方法，包括步骤如下：

1)飞行器开始变轨工作，若需要升高飞行器轨道则进入步骤2)，若需要降低飞行器轨道则进入步骤3)；

2)使用电动力绳系转移升高飞行器轨道，进入步骤4)；

3)使用电动力绳系转移降低飞行器轨道，进入步骤4)；

4)回收电动力绳系。

所述使用电动力绳系转移升高飞行器轨道的具体方法为：

21)释放电动力绳系的导电绳系，控制导电绳系的面内摆角和面外摆角均不超过25°；

22)当导电绳系完全展开，向导电绳系输出外部供电，启动电动力绳系的等离子体接触器；

23)控制等离子体接触器间断向空间发射电荷，保证导电绳系的面内摆角和面外摆角均不超过50°；

24)升高飞行器轨道至预定轨道，电动力绳系停止工作。

所述使用电动力绳系转移降低飞行器轨道的具体方法为：

31)释放电动力绳系的导电绳系，控制导电绳系的面内摆角和面外摆角均不超过25°；

32)当导电绳系完全展开，启动电动力绳系的等离子体接触器；

33)控制等离子体接触器间断向空间发射电荷，保证导电绳系的面内摆角和面外摆角均不超过50°；

34)降低飞行器轨道至预定轨道，电动力绳系停止工作。

所述回收电动力绳系的具体方法为：

控制飞行器姿态，调整回收装置对导电绳系的拉力大小，使导电绳系的面内摆角和面外摆角均不超过25°，至导电绳系回收完毕。

所述步骤24)中升高飞行器轨道的具体方式为：

利用导电绳系吸收空间电荷，使导电绳系产生的电荷和等离子体接触器向空间发射的电荷形成回路，使导电绳系产生电流，控制飞行器飞行使导电绳系切割磁感应线，输入给导电绳系的外部供电使导电绳系产生与飞行器方向一致的推进力，推进飞行器升高轨道。

所述步骤34)中降低飞行器轨道的具体方式为：

利用导电绳系吸收空间电荷，使导电绳系产生的电荷和等离子体接触器向空间发射的电荷形成回路，使导电绳系产生电流，控制飞行器飞行使导电绳系切割磁感应线，使导电绳系产生与飞行器方向相反的推进力，推进飞行器降低轨道。

一种升降轨双模式的电动力绳系轨道转移系统，电动力绳系安装在飞行器平台上，所述电动力绳系包括：导电绳系、等离子体接触器、释放展开及回收装置、绳系控制单元；

所述导电绳系为金属导体绳，用于传输电荷，形成电流；

所述等离子体接触器用于为导电绳系与空间等离子体提供电荷交换；

所述释放展开及回收装置用于存储并保护导电绳系，伸展和回收导电绳系；

所述绳系控制单元用于实现轨道转移过程对电动力绳系统状态测量与控制，包括测量导电绳系运动状态、控制释放及回收导电绳系、控制开断导电绳系电流，控制电动力绳系转移飞行器轨道高度；

绳系控制单元控制释放展开及回收装置释放导电绳系，绳系控制单元控制调整释放展开及回收装置对导电绳系的拉力大小，实现导电绳系的面内摆角和面外摆角均不超过25°，导电绳系完全展开后，绳系控制单元启动等离子体接触器，控制等离子体接触器间断向空间发射电荷，导电绳系吸收空间电荷和等离子体接触器向空间发射的电荷形成回路，导电绳系随飞行器飞行切割磁感应线产生作用力，飞行器在该作用力的作用下实现轨道转移。

所述等离子接触器安装在飞行器平台上或导电绳系末端。

所述导电绳系可回收的长度为系绳原长的10％。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

1)明确了电动力绳系升轨工作模式、降轨工作模式以及回收工作模式，可直接应用于重复使用的轨道转移任务。

2)升降轨模式复用一套绳系系统，等离子接触器安装在平台上，通过控制绳系不同弹射方向来实现双向力调节，与现有技术相比系统组成更简单。

3)根据预设空间任务建立了设计适用于不同阶段的组合体稳定控制方案，涉及电动力绳变轨全过程，控制策略简化了对飞行器平台的设计要求，更易工程化实现。

附图说明

图1为本发明电动力绳系轨道转移任务应用流程实施例示意图；

图2为本发明电动力绳轨道转移飞行器系统组成示意图；

图3为本发明电动力绳系升轨过程电位分布示意图；

图4为本发明电动力绳系推进过程控制策略流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细地描述。

图1为本发明电动力绳系轨道转移任务应用流程实施例示意图，说明了电动力绳系应用于轨道转移的典型步骤，包括：

1)电动力绳系轨道转移飞行器(以下简称“飞行器”)发射入轨至初始轨道；

2)判断飞行器是否满足轨道维持要求，若满足则保持状态，若不满足则进入电动力绳系升轨工作模式；

3)进入电动力绳系升轨工作模式后，判断飞行器是否满足轨道维持要求，若满足则进入电动力绳系回收模式，若不满足保持电动力绳系升轨工作模式；

4)电动力绳系回收模式结束后，判断飞行器是否执行升轨任务，若执行，则进入电动力绳系升轨工作模式，若不执行，则回到步骤(2)；

5)进入电动力绳系升轨工作模式后，判断飞行器是否到达预定轨道，若到达则分离卫星载荷，然后进入电动力绳系降轨工作模式，若未到达则保持电动力绳系升轨工作模式；

6)进入电动力绳系降轨工作模式后，判断飞行器是否到达初始轨道，若到达，则进入电动力绳系回收模式，若未到达，则保持电动力绳系降轨工作模式；

7)重复步骤2)-6)。

所述电动力绳系升轨工作模式具体为：

21)释放电动力绳系的导电绳系，控制导电绳系的面内摆角和面外摆角均不超过25°；

22)当导电绳系完全展开，向导电绳系输出外部供电，启动电动力绳系的等离子体接触器；

23)控制等离子体接触器间断向空间发射电荷，保证导电绳系的面内摆角和面外摆角均不超过50°；

24)利用导电绳系吸收空间电荷，使导电绳系产生的电荷和等离子体接触器向空间发射的电荷形成回路，使导电绳系产生电流，控制飞行器飞行使导电绳系切割磁感应线，输入给导电绳系的外部供电使导电绳系产生与飞行器方向一致的推进力，推进飞行器升高轨道，电动力绳系停止工作。

所述面内摆角为轨道面内绳系与飞行器地心径间的夹角；

所述面外摆角为绳系偏离轨道面的夹角。

所述电动力绳系降轨工作模式具体为：

51)释放电动力绳系的导电绳系，控制导电绳系的面内摆角和面外摆角均不超过25°；

52)当导电绳系完全展开，启动电动力绳系的等离子体接触器；

53)控制等离子体接触器间断向空间发射电荷，保证导电绳系的面内摆角和面外摆角均不超过50°；

54)利用导电绳系吸收空间电荷，使导电绳系产生的电荷和等离子体接触器向空间发射的电荷形成回路，使导电绳系产生电流，控制飞行器飞行使导电绳系切割磁感应线，使导电绳系产生与飞行器方向相反的推进力，推进飞行器降低轨道，电动力绳系停止工作。

所述电动力绳系回收模式具体为：

控制飞行器姿态，调整回收装置对导电绳系的拉力大小，使导电绳系的面内摆角和面外摆角均不超过25°，至导电绳系回收完毕。

电动力绳系轨道转移飞行器由飞行器平台和电动力绳系统组成，电动力绳系统包括释放展开及回收装置、导电绳系、绳系控制单元、等离子体接触器等部分，所述导电绳系为金属导体绳，用于传输电荷，形成电流，可回收的长度为系绳原长的10％；所述等离子体接触器安装在飞行器平台上或导电绳系末端用于为导电绳系与空间等离子体提供电荷交换；所述释放展开及回收装置用于存储并保护导电绳系，伸展和回收导电绳系；所述绳系控制单元用于实现轨道转移过程对电动力绳系统状态测量与控制，包括测量导电绳系运动状态、控制释放及回收导电绳系、控制开断导电绳系电流，控制电动力绳系转移飞行器轨道高度。

如图2所示。飞行器平台的电源系统为导电绳系和等离子体接触器提供外部电源，释放展开及回收装置通过飞行器平台的绳系系统机械接口模块与飞行器平台相连接。当进行电动力绳系轨道转移任务时，绳系控制单元的绳系控制电路模块接收绳系系统电气接口模块发出的指令，启动释放展开及回收装置释放导电绳系，并控制导电绳系的释放速度。导电绳系收集电子，并将等离子体接触器安装在飞行器平台上，由其发射收集的电子，以形成持续稳定的电流，从而产生轨道转移所需的洛仑兹力。同时，该电流为绳系控制单元的电源模块进行充电。绳系控制单元的射频接收机能够接收地面遥控指令来执行应急指令，传感器测量导电绳系的运动状态并发送给绳系控制电路模块，为导电绳系的控制提供输入参量。

在不受外电源控制的情况下，洛仑兹力始终包含与系绳相对于地磁场的运动方向相反的阻力分量。当低于地球同步轨道且无外加电源时，电动力绳系统位于顺行地球低轨时，其轨道速度大于地球磁力线速度，因此所受洛仑兹力为阻力。在回路中引入飞行器平台提供的外部电源(一般为太阳能电池)，可克服动生电动势并改变电流的大小和方向，从而实现推力，因此可通过调节输入电压实现洛仑兹力的主动控制。升降轨模式复用一套绳系系统，等离子接触器安装在平台上，通过控制绳系不同弹射方向以及外部电源来实现双向力调节。

电动力绳系统产生的洛伦兹力的方向，主要由导电绳系上的电流方向决定。图3显示了电动力绳系统升轨工作模式的电位分布图。导电绳系在切割地磁场时会产生感应电动势，其首尾两端会形成感应电动势V_AC。电动力绳系统进行升轨任务时，外部电源必须克服这个感应电动势。因此外部电源的存在使得等离子体接触器的电位降低到电场零电势平面以下，其数值为负。这样等离子体接触器才能对空间发射电子从而在导电绳系上产生电流。导电绳系中，BO部分是正电位部分，AO部分是负电位部分(相对于空间等离子体，本文所提电位参考点均为空间等离子体电位)。导电绳系的正电位部分吸收空间电子，负电位部分吸收空间离子，外部电源提供能源使等离子接触器的电位降低到负电位，等离子接触器向外发射电子，四者相互作用，电动力绳系统达到一个电流平衡状态。导电绳系的电位分布主要由等离子接触器的净发射电流、导电绳系的净吸收电流和外部电源的输出电位差决定。从图3中可以得出，C点电位必定为负，B点电位必定为正，A点电位根据实际情况确定，这样电动力绳系统才能形成稳定的电流回路，电子流向由A点至C点，电流流向为C点至A点，产生的洛伦兹力与系统速度方向相同，系统速度不断增加从而轨道高度不断提升。由于系统在运行过程中受到空间环境的影响，导电绳系电位分布会一直处于瞬时动态平衡的状态。

当电动力绳系统用于降轨任务时，则屏蔽外部电源，并改变导电绳系弹射方向，使之与升轨时相反，则可实现飞行器降轨。

电动力绳系轨道转移任务的整个工作过程被划分为以下阶段：

1)休眠阶段

在这一阶段电动力绳系统都处于休眠状态，只是由绳系控制单元定期检测飞行器的状态。为了防止电动力绳系统被提前激活，采用冗余的方法对状态进行多重观测。

2)初始化阶段

正式进行电动力绳系轨道转移任务之前，系统接收到飞行器平台的激活指令后，进行电动力绳系统各部件的初始化。

3)导电绳系释放展开阶段

当绳系控制单元接收到激活指令时，触发释放展开及回收装置以一定的初速度将导电绳系弹射，保证弹射的姿态方向，另外绳系控制单元进行控制率解算，保证导电绳系伸展直至结束。

4)组合体轨道转移阶段

在导电绳系的伸展过程中，等离子体接触器呈关闭状态，不进行电荷发射；一旦导电绳系完全伸展，等离子体接触器开始工作，使导电绳系电流缓慢增加，作用于导电绳系的电动力也随之逐渐增加。电动力绳系统会利用从传感器获得的信息来进行对导电绳系电流的反馈控制，用来控制由于等离子体密度和磁场变化而逐渐变大的导电绳系振动。

5)回收阶段

在电动力绳系统的轨道上升或下降到目标高度后，在不需要电动力绳系统进行轨道转移任务时，进行休眠操作前，可回收导电绳系，以减小碰撞概率。

根据图4，各阶段控制策略制定如下：

1)导电绳系弹射释放前，根据飞行器姿态条件确定是否开展姿控，如需要，通过飞行器平台的姿控系统实施姿控；

2)导电绳系弹射释放阶段，飞行器平台本体无控，电动力绳系统运动通过拉力实施天平动控制；

3)导电绳系释放完毕后，在电动力辅助变轨前，根据飞行器姿态条件确定是否开展姿控，如需要，通过飞行器平台的姿控系统实施姿控；

4)电动力辅助变轨阶段，飞行器平台本体无控，电动力绳系统通过电流开断实施天平动控制；

5)变轨完毕后，导电绳系回收阶段，飞行器平台本体姿控，电动力绳系统通过拉力实施天平动控制。

导电绳系弹射释放阶段在时间历程上，分为导电绳系弹射段和导电绳系主动释放段两个阶段。

在导电绳系弹射段，带有末端载荷的导电绳系从飞行器本体斜向前弹射，直至导电绳系飞行至本体垂线位置为止。在该阶段电动力绳系统不进行导电绳系主动释放控制，也不进行飞行器本体姿态控制。

在导电绳系主动释放段，当导电绳系飞行至本体垂线位置时，电动力绳系统采取导电绳系主动释放控制，但不对飞行器本体采取姿态控制，直至导电绳系完全释放。导电绳系运动的释放控制律采取基于优化轨迹的跟踪控制律，其设计分为两步：

首先，基于非线性最优控制理论，建立释放过程开环最优控制模型，通过伪谱法求解开环最优控制律；

继而，以开环解为参考，基于轨迹跟踪思想设计反馈控制器，其中反馈控制增益由开环最优控制算法及数值插值确定。

在电动力辅助变轨阶段，飞行器本体无控，针对导电绳系采取电流开断控制策略，该策略无需调节电流大小，算法简单，易于工程实现。具体而言，采用导电绳系摆角和广义力做功功率这两类指标，设计电流开断控制律，并通过数值仿真对控制律进行验证。该控制律基本设计思想是：在变轨过程中实时监测系统运动状态，通过计算控制指标量并与设定阈值相比较，确定电流回路开或断。

针对导电绳系回收阶段，拟采用“飞行器本体姿控+电动力绳系统采用反馈控制”的控制方案。在电动力辅助变轨阶段中，要使飞行器不采用姿控而未发生大幅翻转，对飞行器本体姿态初始条件较为苛刻，很难保证飞行器姿态角速度很小或无角速度。因此，在导电绳系回收过程中，考虑采取飞行器本体姿态控制。而对于电动力绳系统，控制律采用含面外角速度平方项的控制律对导电绳系进行回收，可有效抑制导电绳系的俯仰和滚转振荡且回收过程稳定。同时，由于回收过程中系统的本质不稳定性，导电绳系回收目标定为系绳原长的10％。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。