大气阻力摄动下的绳系辅助离轨系统的相对姿态跟踪控制研究

　　绳系辅助离轨系统[1-2]源于上世纪60年代苏联科学家尤里·阿特苏塔诺夫提出的“太空梯”概念,继承了上世纪末的绳系卫星技术发展而来。如图1所示,绳系辅助离轨系统由母星———空间站、无动力系绳和子星———返回飞行器组成,利用弹射分离装置,使得返回飞行器与空间站分离,在重力梯度和轨道耦合效应的作用下,返回飞行器相对空间站向前自由展开释放;空间站利用系绳的牵引作用,控制返回飞行器相对空间站当地铅垂方向以较大的摆角θ(动态释放方式)稳定地展开释放,在预定时刻展开释放到预定的位置C点(其将决定返回飞行器的再入轨道参数)并通过系绳对展开进行制动;然后返回飞行器将相对空间站当地铅垂方向自由回摆,在回摆到铅垂位置附近D点,断开系绳,返回飞行器将自动进入预定的再入返回轨道开始再入返回。

　　对于绳系辅助离轨系统来说,系统的展开离轨过程将直接影响返回的成败和效果,因而其展开问题成为研究和设计绳系辅助离轨系统的关键和热点。虽然国内外学者针对绳系技术及其应用进行了广泛深入的研究,但同绳系卫星的展开问题相比,本文所研究的绳系辅助离轨任务具有其特殊性,需要保证返回飞行器再入点精度和离轨制动速度ΔV,即保证绳系辅助离轨系统在预定时刻成功展开到预定的状态或位置,这对绳系系统的展开控制提出了更高要求。

　　而目前,针对绳系系统展开问题的研究,大都采用了假设的理想化展开动力学模型进行研究和分析[1-4]。虽然也有部分文献[6]在建模过程中引入系绳的弹性变形,考虑了系绳的弹性变形对系绳展开的影响,但仍忽略了各种摄动的影响以及系统组成飞行器的姿态因素。

　　然而对于近地轨道的飞行器,大气阻力摄动作用明显,特别是对于绳系辅助离轨系统采用大面质比(0. 1~0. 3)的充气式结构的返回舱,大气摄动作用更加显著。在考虑返回舱的非质点因素,即考虑大气阻力对返回舱姿态的影响,返回舱将相对绳系辅助离轨系统不断翻转、旋转等,这将引起系绳的缠绕、扭曲及不规则的振荡运动,严重影响或破坏展开以及系统的稳定性,甚至可能导致任务失败。同时对于考虑轨道面外运动的三自由度下的绳系系统展开控制[5]以及绳系系统横向振动抑制控制问题[7],传统单一的采用系绳张力控制的控制方式已经不能满足系统需要,需要在返回舱添加额外的控制器和执行机构,这对返回舱姿态的稳定性及精度提出了更高的要求。因而在传统的展开控制策略的基础上,研究绳系辅助离轨系统返回舱与绳系系统的相对姿态跟踪控制已经成为必要。

　　基于此本文重点研究大气阻力摄动下的绳系辅助离轨系统的相对姿态跟踪控制问题。在理想模型的基础上,考虑大气阻力摄动和返回舱的姿态因素,建立大气阻力摄动下的展开动力学和返回舱姿态动力学模型;在此基础上,设计了绳系辅助离轨系统的相对姿态跟踪控制策略,并通过数学仿真来验证简单展开释放规律(幂指数展开释放规律)下该算法的有效性,以期为绳系辅助离轨系统的展开控制问题研究提供帮助。