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  • 【论文】 绕飞小行星太阳帆航天器姿态动力学与控制

    作者:连晓斌 关键词:小行星 ; 太阳帆 ; 空间绳系系统 ; 姿态动力学与控制 ; 混沌运动与控制 机构:沈阳航空航天大学 ; 沈阳航空航天大学 年份:2018
    摘要:太阳帆是一种可仅靠反射太阳光而无需消耗工质的航天器,其在轨寿命不受限于推进燃料,具有许多传统航天器无法比拟的优势,越发受到相关学者和航天机构的重视。太阳帆应用于小行星探测任务中的可行性,已得到相关学者论证。目前使用太阳帆进行小行星探测的研究基本局限于轨道动力学与控制等方面,鲜见涉及近小行星太阳帆姿态动力学与控制等研究。本文首先对小行星绕飞轨道之上的太阳帆进行姿态控制研究;其次,针对小行星附近绳系系统摆动动力学进行分析,同时假定子星为光压可调控的太阳帆航天器,开展了小行星不规则引力场条件下绳系系统摆动姿态运动的混沌分析及其控制研究。论文主要内容如下:(1)研究了规则或近似规则的小行星附近轨道上的太阳帆俯仰轴控制问题。在给定控制叶片随俯仰角运动策略前提下,通过分析俯仰轴上的控制叶片产生控制力矩的特点,求出了叶片所能提供的最大力矩(外包络线),以及叶片力矩、叶片摆角的作动时间历程。最后,给出了有无时间约束条件下的渐近稳定姿态控制器设计方法,并仿真验证了控制器的性能。(2)开展了不规则小行星复杂引力场作用下绳系系统混沌姿态运动分析。利用第二类拉格朗日方程建立了小行星C_(20)和C_(22)引力场下的绳系系统摆动运动姿态动力学方程,通过Melnikov方法解析预测混沌发生条件。重点研究了偏心率、轨道半径和系绳长度对系统摆动姿态混沌运动的影响,给出了不同条件下摆角随时间历程的变化情况,以及系统的相轨迹、庞加莱截面和功率谱密度的变化情况,从而验证Melnikov方法解析预测的有效性。(3)研究了非线性绳系系统摆动姿态运动的混沌控制问题。本文给出了两种混沌控制方法:其一为基于RBF神经网络的自适应滑模饱和混沌控制法;其二为基于惯容器-阻尼器的混沌抑制方法。前者是在考虑了系统的外界干扰、执行机构输入饱和等实际工程约束下,通过对传统混沌控制方法的改进、交叉融合与完善的基础上提出。后者是从能量耗散的角度提出将惯容器原理应用于混沌控制中,是一种新颖的应用于航天系统混沌运动控制的方法。最后,通过数值仿真验证了设计的控制器对不规则小行星复杂引力场下绳系系统摆动姿态运动的混沌控制能力。
  • 【期刊】 采用帆板-滑块执行结构的太阳帆姿态控制

    刊名:哈尔滨工业大学学报 作者:吴利平 ; 郭毓 ; 吴益飞 ; 郭健 关键词:太阳帆 ; 姿态 ; 执行机构 ; 强鲁棒 ; 自适应 机构:南京理工大学自动化学院 ; 南京理工大学自动化学院 年份:2018
    摘要:为实现太阳帆三轴姿态控制,采用一种新型的帆板-滑块执行机构进行姿态控制.基于滑模控制理论提出一种强鲁棒的姿态控制器,以抑制执行机构工作过程中航天器转动惯量变化对姿态控制的影响.此外,引入自适应律,提出一种自适应抗扰控制律,以抑制光压力矩和引力梯度力矩对姿态的干扰作用.最后,基于执行机构的动力学特性设计了操纵律,解算出帆板转动角度和滑块滑动位移,提供给控制器所需控制力矩.仿真结果表明:采用所提控制律和执行机构操纵律可使太阳帆姿态较快地机动至期望位置,并较好地抑制了转动惯量变化、光压力矩干扰和引力梯度力矩干扰带来的影响,同时使控制力矩、帆板角度和滑块位移均保持在适当的幅值范围内.所提控制策略有效地实现了太阳帆三轴姿态控制.
  • 【期刊】 微小卫星太阳帆板压紧释放机构的设计

    刊名:光学精密工程 作者:宣明 ; 张道威 ; 谷松 ; 杨林 ; 程龙 关键词:微小卫星 ; 太阳帆板 ; 压紧释放机构 ; 预紧力 机构:中国科学院 ; 中国科学院 ; 长春光学精密机械与物理研究所 ; 长光卫星技术有限公司 ; 中国科学院 ; 长春光学精密机械与物理研究所 ; 中国科学院大学 年份:2017
    摘要:为实现某型号微小卫星太阳帆板的压紧释放,研制了一种小型熔线式压紧释放机构.首先,设计了可测量预紧力的压紧机构,得到扭矩与预紧力的2倍关系,给出了预紧力的确定方法.然后,根据绳索特点,设计了具有电阻调节功能的解锁机构,增强了对电源的适应能力,满足了微小卫星快速模块化布局.最后,进行了熔断特性实验与熔断参数设计,得到熔断时间与电流的函数关系,确定了该型号卫星解锁的熔断功率为6.25 W,熔断时间为(6±1) s. 开展了实验室环境与真空环境下的可靠性验证实验,结果表明:所设计的压紧释放机构工作可靠,适用于微小卫星展开机构,且具有较好的通用性与扩展性.该项研究对微小卫星太阳帆板压紧释放装置设计和空间展开机构设计具有指导意义.
  • 【会议】 阳帆薄膜材料及帆面展开方式进展

    作者:陈罗婧 ; 王沫 ; 胡鑫 ; 吕秋杰 关键词:太阳帆 ; 薄膜 ; 折叠 ; 展开 机构:航天东方红卫星有限公司 ; 航天东方红卫星有限公司 年份:2014
    摘要:利用太阳光压作为推进的太阳帆航天器可以适应范围更广的深空探测空间任务。太阳帆薄膜材料的选用对太阳帆总重量起着决定性的因素,太阳帆的结构设计和材料选择是影响其性能的重要因素。对太阳帆薄膜基底材料特性和被覆材料选用依据进行了探讨。针对典型太阳帆——圆形太阳帆、正方形太阳帆和直升机式太阳帆不同的展开方式,及自旋展开结构中薄膜的折叠方式进行了分析,并介绍了美国的"宇宙1号"和日本的"Ikaros"太阳帆具体展开方式及在轨试验情况。最后对我国开展太阳帆在轨试验提出了建议。
  • 【期刊】 基于带状弹簧的太阳帆板展开设计与分析

    刊名:计算机仿真 作者:张道威 ; 宣明 ; 谷松 ; 张雷 关键词:带状弹簧 ; 展开时间 ; 基频 ; 厚度 ; 弯曲刚度 机构:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 ; 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 ; 中国科学院大学 ; 长光卫星技术有限公司 年份:2017
    摘要:针对传统铰链结构复杂、锁紧力小及展开基频较低的问题,为提高太阳帆板性能,利用带状弹簧的壳体屈曲性能,设计了易加工装配的简单铰链,具有质量轻、展开可靠、自动锁定及锁定力大等诸多优点。使用有限元软件分析了带状弹簧及铰链的力学特性,并进行了帆板展开动力学仿真,重点研究了太阳帆板结构基频,并推导了厚度和弯曲刚度对基频的影响关系。仿真结果表明,所设计的带状弹簧铰链用于帆板展开,满足系统对展开时间和展开基频的要求且基频优于传统铰链,可为航天器帆板展开机构设计提供参考。
  • 【期刊】 一种适用于太阳帆的新型防缠绕展开技术

    刊名:电源技术 作者:张肖君 ; 林君毅 ; 尹兴月 ; 董莉 关键词:太阳帆 ; 防缠绕 ; 展开设计 机构:中国电子科技集团公司第十八研究所 ; 中国电子科技集团公司第十八研究所 年份:2020
    摘要:太阳帆展开设计中的防缠绕展开设计是必要的;根据以往的工程应用认为缠绕是在收纳后再次展开时发生的;最终导致发射任务失败;提出了一种展开结构和帆面;采用不同方式分离折叠于结构舱的四周;并采用充气展开方式;由充气支管拉伸帆面展开;展开后的帆面依托于充气支管的支撑;通过实验件的展开验证该展开方式的防缠绕效果;
  • 【期刊】 对角伸展太阳帆结构及膜面应力导入分析

    刊名:哈尔滨工业大学学报 作者:李纯 ; 陈务军 ; 蔡祈耀 ; 张大旭 ; 彭福军 ; 房光强 关键词:太阳帆 ; 屈曲分析 ; 膜面应力 ; 导入方式 机构:上海交通大学 ; 上海交通大学 ; 空间结构研究中心 ; 上海宇航系统工程研究所 年份:2017
    摘要:为研究膜面应力导入方式及应力大小对太阳帆结构的影响,进行了有限元模拟分析.首先,阐述了此类太阳帆导入膜面应力的必要性及其合理范围,并介绍了膜面应力导入的3种方式;其次,利用有限元软件ABAQUS,以欧洲航天局和德国宇航中心研制的20 m×20 m太阳帆为目标建立模型,然后采用静力法并考虑非线性的影响,分别对3种方式导入膜面应力的太阳帆进行结构分析,模拟太阳帆完全展开时在光压作用下膜面的变形和支撑结构的静力响应,获得膜面应力与豆荚杆轴压之间的关系,确定了膜面应力的合理范围;最后,对比分析了不同导入方式对膜面应力分布以及不同膜面应力对帆面形态和结构刚度的影响.结果表明:不同的应力导入方式,太阳帆膜面角落处均会出现应力集中,但膜面褶皱分布不同;膜面导入应力越大,基频越大,同时利于结构整体运动的控制.
  • 【会议】 适用于太阳帆的充气展开支撑臂设计

    作者:刘宇飞 ; 周璐 ; 王立 ; 侯欣宾 ; 卫剑征 关键词:太阳帆 ; 充气 ; 支撑臂 机构:钱学森空间技术实验室 ; 钱学森空间技术实验室 ; 哈尔滨工业大学 年份:2014
    摘要:太阳帆推进技术需要将面值比最大化,这就需要充分利用轻薄材料以及各种减重技术,充气展开支撑臂是重要的研究内容。充气展开支撑臂面临的主要问题是质量、支撑臂力学特性以及充气条件等方面的一体化优化设计。为此主要从支撑臂的结构形式分析、充气展开支撑臂方案设计、充气系统设计等方面对适合太阳帆的充气展开支撑臂进行了分析研究。通过比较分析,认为带充气管的自展开支撑臂是未来发展的重点。
  • 【期刊】 基于辛Runge-Kutta方法的太阳帆塔动力学特性研究

    刊名:中国科学:技术科学 作者:邓子辰 ; 曹珊珊 ; 李庆军 ; 蒋宪宏 关键词:空间太阳能电站 ; Hamilton系统 ; 辛Runge-Kutta方法 ; 太阳帆塔 机构:西北工业大学力学与土木建筑学院 ; 西北工业大学力学与土木建筑学院 ; 西北工业大学理学院 年份:2016
    摘要:空间太阳能发电作为获取清洁、可再生的能源的重要途径,受到了社会的广泛关注.本文基于Hamilton体系研究了太阳帆塔式空间太阳能电站在轨运行的动力学与系统的稳定问题.通过建立太阳帆塔简化结构模型和引入广义坐标以及广义动量,根据变分原理,得到Hamilton体系下太阳帆塔系统在轨运行的动力学控制方程;采用辛Runge-Kutta方法进行求解分析,并与传统的四阶Runge-Kutta方法对比,数值结果表明了辛Runge-Kutta方法能够保持系统的能量和系绳弹性振动的特性;最后,根据力学平衡原理得到了系统的平衡点,并通过数值算例研究了系统在平衡点附近的稳定性.
  • 【期刊】 复合材料太阳帆板连接架强度的有限元分析

    刊名:机械工程材料 作者:宋晟 ; 李冰雪 ; 万斌 ; 徐孟嘉 关键词:复合材料 ; 强度包线 ; 有限元模拟 ; 应变 机构:上海民航职业技术学院航空制造系 ; 上海民航职业技术学院航空制造系 ; 上海电机学院材料学院 年份:2018
    摘要:采用三维等效法计算复合材料的等效刚度常数,建立复合材料太阳帆板连接架的均衡三维有限元模型,分析其应变分布情况;根据霍夫曼失效准则,得到太阳帆板连接架不同部位的强度包线,并与有限元模拟得到的应变进行对比,以对连接架结构强度进行校核;对复合材料太阳帆板连接架进行静力试验,对有限元分析结果进行试验验证。结果表明:采用有限元模拟得到太阳帆板连接架在外加载荷作用下的应变分布结果与试验结果较接近,主梁与套筒连接处0°方向应变的相对误差小于9.00%,90°方向应变的相对误差比0°方向的略大,最大相对误差为13.30%;太阳帆板连接架结构强度的校核结果与静力试验结果相吻合,接头端部和套筒拐角位置为薄弱环节。
  • 【期刊】 阳帆板联动机构同步机理分析与动力优化

    刊名:宇航学报 作者:杨文淼 ; 时军委 关键词:太阳帆板 ; 展开动力学 ; 优化设计 ; 序列二次规划 机构:上海宇航系统工程研究所 ; 上海宇航系统工程研究所 年份:2017
    摘要:通过对绳索联动机构(CCL)进行等效简化,分析CCL同步展开机理,并建立数学模型.详细推导了含CCL联动系统的动力学方程,以某型太阳帆板展开同步性为例,仿真分析展开动力学过程以及大幅不同步产生的原因.以整个展开过程中最大不同步量最小为优化目标,建立联动系统优化模型,并采用序列二次规划算法(SQP)对驱动力矩参数进行了优化设计.相对驱动力矩为正值的传统设计方法,根部驱动力矩为负值的优化结果有效降低联动绳索负载,改善了太阳帆板展开同步性.
  • 【期刊】 利用绳系太阳帆减缓小行星自转的技术研究

    刊名:深空探测学报 作者:邬静云 ; 高有涛 关键词:太阳帆 ; 绳系系统 ; 小行星 ; 同步轨道 机构:南京航空航天大学航天学院 ; 南京航空航天大学航天学院 年份:2016
    摘要:提出一种利用太阳帆绳系系统逐渐减小小行星自转速率的方法。在系绳长度不变的情况下,利用太阳帆受到的太阳光压力使其始终保持与小行星同步,避免了由于小行星自转而引起的系绳缠绕问题。通过控制太阳帆使系绳始终拉紧,系绳中的拉力便可以持续提供一个与小行星自转方向相反的力矩,从而减小其自转速率。仿真结果表明,面积106 m2的太阳帆,经过约86天可将小行星的自转消除,验证了该方法的有效性。
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