绳系系统的应用与轨道选择

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1、空间绳系系统的应用及其轨道选择摘要空间绳系技术是一种全新的航天技术，是当代空间技术的一个新的领域。自七十年代中期以来，绳系理论经过几十年的发展，显示出其具有巨大的应用前景。绳系技术可应用于航天器的交会对接与空间发射与释放。与原有技术相比，这些基于绳系技术而提出并正在实现的新型空间技术都具备一些突出的优点。随着各项相关技术的发展，绳系系统技术将会在更大的领域范围发挥更大作用。1引言空间绳系系统指两个或者多个航天器用柔性绳连接在一起构成的空间系统。最典型的空间绳系系统是由母卫星、子卫星和连接系绳组成，这两个航

2、天器在系绳的约束下一起做轨道运动，其质心的运动同传统的航天器类似（如图1-1）。系绳这种特殊的柔性材料使得能够用相对较少的材料在空间构成非常大的结构，较短的系绳有30m，更长的系绳可能达到几十公里[1]。图1-1空间绳系的出现最早起因于宇航救生、微重力试验以及外空辐射测量等方面的需要。随着研究的展开与深入，空间绳系技术更多独特的应用价值逐渐被发现。按照不同的空间应用，空间绳系可分为三类空间绳系系统，其名称及特点：①静止绳系系统：在其使用过程中系绳的长度和数量、航天器的数量和质量以及它们的相互位置和指向是不

3、变的。②空间电动绳系系统：绳索一端置有电子收集采集器用于收集等离子层中的电子，另一端置有等离子发射器，系统高速运动切割地磁力线的同时便有电流在导电绳缆中产生。③空间动量交换绳系系统：系绳数量和长度、航天器的数量和质量以及它们的相互位置和指向是经常改变的。该系统由高强度绳索、系绳展开／回收机构及控制平台组成[2]。2静止绳系系统的应用根据静止绳系系统特点，其在空间资源开发和空间环境探测方面具有独特的优点和广泛的应用前景。★应用绳系卫星系统从位于200--400公里高度的母星(航天飞机、空间站或其它空间飞行器

4、)上向下伸展空间探测平台，可以进入100--150公里区域并进行较长时间的测量。弥补目前对100一150公里高度层的地球大气进行直接的较长时间的测量的技术空缺。★应用于加长的测量系统(例如用带有与系绳长度相等的大基极的干涉仪)，地球物理场传感器，以及沿系绳配置或用系绳降至低空的大气探测器进行相关研究。★利用建筑原理组成绳系系统，可以在空间建成复杂的大型建筑(空间电站、住宅、工厂、温室等)。未来空间大型建筑的建造，是人类向太空、外星移居的必由之路，而绳系系统也将在此发挥重要的作用。3空间电动绳系系统的应用系

5、统高速运动切割地磁力线的同时绳索一端电子收集器收集等离子层中电子，沿绳索流动到另一端，通过电子发射器将电子送回等离子层，形成闭环电路，从而产生电磁力。利用该系统在轨道上运动的部分动能，可以产生功率为兆瓦量级的电能。利用机载发电机获得的电能，可以保持，提升／降低飞行器轨道高度而不必消耗燃料。还可以把系绳作为一个发射天线，实现低频波段无线电波的有效辐射（如图1-2）。图1-24空间动量交换绳系系统的应用：在空间绳系系统中的各种应用系统中，动量交换是空间系绳最有应用前景的技术之一。其应用有：★绳系交会对接。包括

6、航天器与空间站的交会对接，碎片回收及航天器的轨道机动。★空间升降机。用沿着系绳运动的升降机可以运送货物和人员。★航天器空间指向调整。利用一端连有系绳的传动杆，可以变换吊在系绳上的航天器在空间的指向。航天工程中的成本通常是巨大的，在航天工程中若能较大的减少成本花费，空间的探索应用的利益空间将会更加促使人们勇敢迈出前进的脚步。又随着全球能源和资源的紧张，寻求一种节省能源消耗同时减少成本的方法显得越加重要。与传统航天器的交会对接相比，利用绳系系统进行交会对接可节省大量燃料降低成本，在一定程度上可提高安全性和可靠

7、性甚至可重复使用，因此有较高的应用价值。下面对空间动量交换绳系系统中的交会对接进行介绍，交汇对接包括绳系捕获技术和空间发射与释放技术。4.1绳系捕获技术利用绳系进行航天器交会对接，这是一种全新的对接方案。绳系卫星系统包括一颗子星和一颗母星，它们之间用一条细长的软绳相互连接。如图4-1，把子星换成具有不同连接功能的末端效应器，就可以在较远的距离上实现对目标航天器实施捕获或者对接。图4-1对于母星与目标卫星的交会对接，介绍R-bar对接/捕捉方案和V-bar对接／捕捉方案。4.1.1R-bar对接/捕捉方案方

8、案如图4-2所示。对接过程中：母星亦采用飞越轨道，以直线运动轨迹掠过目标卫星；在母星到达目标卫星正上方之前终端器被弹射释放，弹射方向为垂直向下(相对母体)；在随后的时间内，控制绳拉力使终端器接近X轴(如图4-2中位置2)；在位置3，终端器与z轴相交；此后，终端器在拉力控制下沿z轴向下接近目标卫星，最终完成对接。图4-24.1.2V-bar对接／捕捉方案对接方案如图4-3所示。对接过程中：追踪飞行器先稳定于Y轴上的保持点，并始终