自由翻滚空间碎片的非接触相互作用动力学与控制

【作者】 李海洋； 宝音贺西；

【机构】 清华大学航天航空学院；

【摘要】 本文主要研究非合作自由翻滚空间碎片的非接触相互作用方法的动力学与控制问题。非合作自由翻滚空间碎片逼近抓捕的传统思路,是控制卫星实现卫星与碎片的位置姿态协同,消除二者的相对运动,进而进行其他操作。整个过程中碎片始终处于自由翻滚的状态。由于卫星与碎片在惯性空间中仍然处于较大的姿态绝对运动中,给其后续操作的安全性和精确性带来了影响,而且卫星始终进行着轨道和姿态的机动,可能带来柔性振动等问题。非接触相互作用方法中,通过卫星产生的非接触式的相互作用,如电磁相互作用等,碎片不再是自由翻滚的,而是和卫星一起受到控制。非接触相互作用可以消除卫星与碎片的相对运动,同时保证二者在惯性空间中也有着较小的绝对运动,使得后续操作安全精确。国外已经有学者进行了相关的地面实验,得到了较为满意的结果,但是这一问题的动力学与控制研究工作较少。本文推导了非接触相互作用的相对运动轨道姿态动力学方程,得到了六自由度的动力学方程。非接触相互作用消除相对位置速度的误差,对碎片进行消旋,同时卫星进行三轴稳定控制保持稳定。本文采用退步控制方法设计非接触相互作用控制律,采用PD控制方法设计卫星三轴稳定控制律。仿真结果表明,动量矩在碎片与卫星之间转移,碎片实现了消旋,而且最终达到了期望的相对位置和姿态。同时整个过程中,卫星都处于较为稳定的状态,这样可以保证后续进行安全精确的操作。更多还原