空间碎片捕获过程动力学建模综述

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1、航天器环境工程第30卷第1期8SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING2013年2月空间碎片捕获过程动力学建模综述贾杰1，罗小娜2，曹姣2(1．中国科学院大学计算与通信工程学院，北京100049；2．南昌航空大学空间信息与安全技术研究所，南昌330063)摘要：文章分析了绳系捕获系统建模及精细化、捕获系统低阶鲁棒控制器和捕获过程半物理仿真的研究现状，并提出了有关空间碎片捕获过程动力学建模及仿真验证领域待解决的一些基本问题，为研制空间碎片回收系统奠定了理论基础。关键词：空间碎片捕获

2、；精细化建模；半物理仿真；低阶鲁棒控制器中图分类号：V423文献标志码：A文章编号：1673—1379(2013)01—0008—06DoI：10．3969／j．issn．1673-1379．2013．01．0020引言空间碎片Il】是空间交通事故最大的潜在“肇事者”[2引，它的破坏力主要来自于其速度。美国、日本和西欧各航天国家正在竞相开发空间碎片清除的新技术，迄今已经提出了许多清除空间碎片的办法。空间碎片一般为非合作目标对象，在太空微重力环境下对其进行捕捉时易产生捕获作用载荷和动量的转移，从而导致扰动

3、，引起相对导航定位与跟踪误差，严重影响到捕获系统与目标之间的动量传递方式。此外由于目标的质量分布和惯性特性是未知的，如果实施刚性捕捉，可能会因碰撞而产生次生碎片。因此，近年来，绳系卫星系统(TSS)应运而生，利用全柔性部件来实施捕获以避免产生刚性碰撞。绳系捕获技术在空间碎片捕获中具有巨大的灵活性，可以完成其他技术手段难以胜任的空间捕获任务一4J。1空间碎片捕获1．1捕获系统的动力学模型空间碎片捕获的动力学建模是成功实施绳系捕获系统的基础工作。在空间绳系系统研究的早期，重点关注的是绳系系统的基本特性，即用

4、所建立的物理模型描述其重力梯度特性、动量交换特性以及电动力学特性，从而解释空间绳系系统中的基奉现象，形成对绳系系统的基本认识。在这之后，研究工作重点又转移到对空间绳系系统中更为精细的物理现象进行建模。空间绳系系统在空间实施捕捉时除了摆动之外，还会出现横向振动、纵向振动、跳绳运动等更为复杂的运动模式。不少研究人员试图通过简化空间绳系系统中的一部分因素去重现这类物理现象。截至目前，最具有代表性的模型有3判“9】：1)不考虑系绳质量和形状特性的模型；2)采用质点、弹簧和阻尼单元来模拟系绳的模型；3)考虑系绳位

5、形和分布质量的模型。在研究空间绳系系统的飞行力学和姿态时，比较多地采用第一类模型，主要是分析系统整体的质心运动和被系绳连接的两个航天器的相对位置，即整个系统的空间指向。采用第一类模型能够得到类似于Hill方程的系统动力学方程，其中通过方程右边的系绳应力来表征系绳的作用，最后得到有约束的相对运动。为了解决空间系绳展开、收紧过程中更为精细的振动问题而提出了第二类、第三类模型。在工程应用中，要求提供空间绳系系统动力学的精细仿真结果。通常采取离散物理模型来仿真空间绳系系统，形成质点、弹簧和阻尼单元模型。在此类模

6、型中，将系绳的状态在物理上离散化成细小的系绳单元，系绳单元的质量被视为质点的质量，整个系绳被看成由弹簧和阻尼单元连接起来的质点集。当系绳单元数目被分割得足够多时，采用第二类模型能收稿日期：2012．09．13；修回日期：2012．12—24基金项目：地区科学基金项目(编号：F030118)；中国国家自然基金项目(编号：61263012)；中国博士后科学基金项目(编号：2012M510593)作者简介：贾杰(1972一)男，博士后，副教授，主要研究方向为飞行器导航、制导与控制。E-mail：jiajie7

7、57@126．com。第l期贾杰等：空间碎片捕获过程动力学建模综述9够较好地逼近系绳的空间运动。最近一段时期，基于多体动力学方程的计算机软件系统(即运用计算机软件系统实现复杂机械系统运动学和动力学程式化的数学模型，用户只要输入描述系统的最基本数据，借助计算机就能自动进行程式化的处理)和自动求解技术得到一定的发展，因此上述方法在研究和工程中将继续得到应用[10]oModi和Misra于1980年提出了极具一般性的动力学模型。在这个模型中，不仅考虑了系绳的分布质量、空间位形，而且考虑了系绳和航天器连接点的偏

8、置问题，使得系统姿态和两个航天器的姿态分别耦合在一起。由于最终的代数／偏微分方程组非常复杂，在当时的计算条件下几乎无法求出数值解。之后的研究工作大多集中于在Modi和Misra的模型基础上进行简化，得到了适用于不同场合的模型。近年来，随着计算机技术的发展和有限元算法的应用，越来越多的研究人员再次把注意力转到Modi和Misra的模型上。而采用Galerkin法、Ritz法等有限元逼近的方法，可以对上述模型中得到的一组代数／偏微分方程求出近似