[发明专利]局部空间电梯系统在椭圆轨道中的摆动抑制方法

说明书

本发明公开了一种局部空间电梯系统在椭圆轨道中的摆动抑制方法，其工作体为由两条系绳连接的三个航天器所构成的局部空间电梯系统。绳长视具体工况决定，一般来说在10公里左右。当系统各部分连接完毕，整个系统可以视为一个三体空间绳系系统。本发明建立了局部空间电梯系统的模型；针对系统特点提出了控制策略；提出了针对目标系统的姿态控制律；实验表明，即使系统运行在具有较大偏心率的轨道上，应用本发明所提供的方法依然可以避免系统发生混沌运动而失控。系统的摆动可以得到有效抑制，与此同时，系统的构型能够被保持在系统运行所需的状态上。控制所需要的推力大小符合工程实际情况，控制效果良好。

【技术领域】

本发明属于航天技术领域，涉及一种局部空间电梯系统在椭圆轨道中的摆动抑制方法。

【背景技术】

随着空间技术的发展，空间任务日趋多样化和复杂化。在众多的空间系统中，局部空间电梯系统是有着广阔应用前景的在轨服务技术。该系统能实现十公里到百公里量级轨道梯度差的航天器之间的货物与人员运输，从而避免了空间平台近距离的逼近和停靠带来的碰撞风险，减少燃料消耗，大幅度提高了空间平台在任务过程中的安全性。

目前的局部空间电梯系统多为三体绳系结构，即由三个航天器和连接在它们之间的系绳组成。系绳的材料多为凯夫拉-29，凯夫拉-49或高强度柔性金属纤维；绳子长度十公里到百公里量级。

尽管局部空间电梯系统有着诸多的优点和广阔的应用前景，然而对于这种系统的摆动抑制始终是一个难题。而当空间电梯系统运行于椭圆轨道时，整个系统将因混沌运动的存在变得难以预测和控制。更为糟糕的是，一旦摆动得不到抑制，局部空间电梯系统的不同部分可能发生碰撞进而造成难以收拾的局面。因而，为了抑制运行于椭圆轨道的局部空间电梯系统的摆动，必须对系统摆动进行抑制，对系统构型进行保持。

【发明内容】

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种局部空间电梯系统在椭圆轨道中的摆动抑制方法，在保证系统构型符合需要的情况下对系统的摆动进行镇定。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

局部空间电梯系统在椭圆轨道中的摆动抑制方法，包括以下步骤：

步骤一：建立局部空间电梯系统动力学模型；

系统的平面运动在系中，并以母星作为动坐标系的原点；θ₁和θ₂表示绳子与母星轨道半径方向之间的夹角；母星与电梯舱之间的绳长为L₁，电梯舱与作业航天器之间的绳长为L₂；电梯舱m₁和作业航天器m₂的引力矢量G_i表示为：

其中，μ为地球引力常数，r_i＝r+R_i；r＝[0,r]^T为母星在轨道坐标系下的位置矢量，R_i为子星i在轨道坐标系中的位置矢量；系统的动力学方程：

其中，M_e为质量矩阵，θ＝[θ₁，θ₂]^T，为，N为非线性项，为真近点角；

步骤二：针对系统特点的控制策略；

在控制过程中，对控制力进行限制；在实际环境下，电梯舱提供一个幅值不超过1N的推力，作业航天器提供一个3N的推力，控制系统以真近点角为变量；

为了对完整的系统进行分析和控制，将式(2)转由时域转换到位置域，其转换公式为：