平流层卫星系绳的建模与仿真

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1、第29卷第lO期计算机仿真2012年lO月文章编号：1006—9348(2012)10—0089—05平流层卫星系绳的建模与仿真张辉，符文星，常小飞(西北工业大学，陕西西安710072)摘要：研究平流层卫星系绳轨迹建模分析可靠性问题，根据平流层卫星所用系绳的特性，要求高强度和足够的侧向控制力。为此提出了“质量集中一轻质钢杆”模型，并给出模型的求解过程。模型考虑了系绳自身质量及所受气动力，通过迭代计算，可求出系绳形状及系绳张力的变化。在给定轨迹控制器的高度及平衡轨迹控制器所需的拉力大小和方向后，计算出系绳传递到气球的拉力大小及方向，绘制出了系绳的形状。仿

2、真结果表明，“质量集中一轻质钢杆”模型能够符合系绳在风场和自身重力作用下的传递的拉力和自身动态特性，为平流层卫星系绳系统优化设计提供了参考。关键词：平流层卫星；质量集中一轻质钢杆；系绳建模中圈分类号：V249．1文献标识码：BModelingandSimulationofTetherinTetheredStratosphericSatelliteZHANGHui，FUWen—xing，CHANGXiao—fei(CollegeofAstronautics，NorthwesternPolyteehnicalUniversity，Xi’anShanxi71

3、0072，China)ABSTRACT：Themodelingofstratosphericsatellitetetherandthereliabilityofthemodelwerestudiedinthispaper．Accordingtothefeaturesofthetetherusedbythestratosphericsatellitesystem，itrequireshighstrengthandsuffi—cientlateralcontr01．Therefor，themodelof“mass—centralizeandlightwei

4、ght—rigid—pole”wasproposed，andthesolutionprocessofthemodelwasgiventoo．Themodelconsiderstheaerodyrnamicofthetetheranditsm；tgs．Byiter-ativecalculation，thefigureofthetetheranditstensionwerededuced．Whentheheightofthetrajectorycontrollerandthetensiontoequilibriumthetrajectorycontroll

5、erweregiven，thetensionpassedthroughthetethertotheballoonwascalculated，andthecurveofthetetherwasdrawn．Simulationresultsshowthatthe“m8s8一centralizeandlight-weight—rigid—pole’’modelCanaccordwiththetensionpassedthroughthetetheranditsdynamiccharacteristicCurveunderthespecificatmosphe

6、reandgravityfield，whichprovidesareferencefortheoptimizeddesignofthestrat·osphericsatellitetethersystem．KEYWORDS：Tetheredstratosphericsatellite；Mass·—centralizeandlightweight。‘rigid—·pole；Tethermodelingl引言平流层卫星利用临近空间底部特殊的风场环境，在传统高空气球基础上通过高度调节和增加轨迹控制器，使其在距离地面35kin的高度沿东西方向环绕地球运动，类似

7、卫星的运行轨道。平流层卫星由气球(包括零压氦气囊、超压空气囊)、有效载荷吊舱、系绳、轨迹控制器和飞行控制系统组成(见图1)。其中系绳用来连接上部的定点气球和下部的轨迹控制器。系绳长度必须能确保上部的气球和下部的轨迹控制器之间存在足够大的高度差和风速差，使得位于下部稠收藕日期：201l一11—07修回日期：20t1—12—21密大气中的轨迹控制器能提供足够的侧向控制力，并通过系绳传递控制力，平衡气球气动力在南北方向的分量¨o。系绳的长度一般在10～15km之间。系绳要求具有高强度、低重量的特点。可以将平流层卫星看作由气球一系绳一轨迹控制器三者组成的变质量

8、多体柔性约束系统，由于系绳连接着气球和轨迹控制器，其模型建立的准确与否不仅关系到平流层卫星整体