一种无动力缆绳辅助的空间站有效载荷返回方法

摘要

一种无动力缆绳辅助的空间站有效载荷返回方法，它涉及一种空间站有效载荷返回方法。本发明为了解决现有的空间站有效载荷返回技术因受制于发射窗口的限制，致使有效载荷返回成本高，无法满足空间站有效载荷及时、有效、低成本的返回需求的问题。主要步骤：设定离轨点目标参数tn和L；建立期望的缆绳最优展开轨迹；控制当前缆绳的展开状态参数与期望值一致；控制张力；控制返回舱的运动轨迹；判断返回舱是否到达预定位置；展开释放结束。可广泛应用于空间站或低轨道天基平台的有效载荷返回。

主权项

1.一种无动力缆绳辅助的空间站有效载荷返回方法，所述空间站有效载荷返回方法是基于包括空间站(1)、无动力缆绳(2)、缆绳的存储装置(3)、缆绳的释放回收控制装置(4)和装有有效载荷的充气式返回舱(5)的返回系统来实现的；缆绳的存储装置(3)、缆绳的释放回收控制装置(4)均安装在空间站(1)上，无动力缆绳(2)以缠绕方式设置在缆绳的存储装置(3)内，装有有效载荷的充气式返回舱(5)通过无动力缆绳(2)与空间站(1)连接，缆绳的释放回收控制装置(4)用于控制缆绳的释放及回收；其特征在于：所述方法是按照以下步骤实现的：步骤一、设定离轨点目标参数t_n和L；t_n表示离轨点时间；L表示空间站和离轨点的距离或缆绳最终展开长度；然后考虑缆绳的释放回收控制装置(4)在有效载荷返回过程中消耗燃料最优，定义优化目标函数为：$J=\underset{t_0}{\overset{t_f}{\int }}{N}^2\mathrm{dt}---\left(1\right)$N表示缆绳对充气式返回舱的拉力；t表示时间变量；步骤二、建立期望的缆绳最优展开轨迹；无动力缆绳辅助的充气式返回舱(5)的展开动力学方程为：式中：l表示已经释放的缆绳长度；i表示缆绳释放的速度；表示缆绳释放的加速度；θ表示释放出的缆绳在轨道面上的投影与铅直线之间的夹角；表示释放出的缆绳与轨道面之间的夹角；ω为空间站的轨道角速度；表示缆绳机构对充气式返回舱的控制拉力；N_l、N_θ、是N在缆绳方向、θ方向、方向的三个控制拉力分量；m为充气式返回舱的质量；上式中的l、θ、均为随时间t的变化而变化的变量，可进一步表示为l(t)、θ(t)、根据给定的离轨点目标参数t_n和L，并考虑式(1)限定的燃料最优原则，结合式(2)～(4)，得到l(t)、θ(t)、的表达式，进而得至由l(t)、θ(t)、三个函数确定的期望的缆绳最优展开轨迹；步骤三、控制当前缆绳的展开状态参数l′、θ′、与l(t)、θ(t)、三个函数所确定的期望值一致；步骤四、控制张力：利用变结构控制律得出实际操作过程中的缆绳对充气式返回舱(5)的拉力N′来调整缆绳的释放速度；步骤五、控制返回舱的运动轨迹：以由l(t)、θ(t)、三个函数确定的期望的缆绳最优展开轨迹作为控制目标，控制实际的缆绳末端的返回舱的位置与目标轨迹拟合，使得缆绳最终以预定的轨迹展开释放；步骤六、判断返回舱是否到达预定位置，如果l＝L、t＝t_f，则执行步骤七；否则，返回至步骤三；t_f表示缆绳展开释放完成的时间点；t_f与t₀之差表示缆绳展开释放需要的时间；t₀为缆绳展开释放的初始时间点；t_n与t₀之差表示返回舱从起始点至离轨点需要的时间；步骤七、展开释放结束：在展开释放到预定的长度后，进行减速制动，并使返回舱逐渐回摆到当地铅垂位置，在到达铅垂位置后断开缆绳，释放返回舱使其进行下一步的再入返回。