CN102320385A - 一种无动力缆绳辅助的空间站有效载荷返回方法 - Google Patents

Abstract

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t_n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。

Description

一种无动力缆绳辅助的空间站有效载荷返回方法

技术领域

本发明涉及一种空间站有效载荷返回方法，属于空间航天器控制技术领域。

背景技术

随着人类对太空的不断探索发现，人类对太空探索的手段和技术不断进步，从用肉眼到望远镜，再到太空卫星，进而人类对太空的认识逐渐加深。然而这些手段和技术并不能满足当代人的需求，从而一种新的空间技术及手段——太空天基平台，被提出并实现。从苏联“和平号”空间站到现在的“国际空间站”，人类在太空天基平台技术上实现了质的飞跃。然而随着空间站技术的发展和人类在空间站的活动(空间观测和实验等)的不断增加，大量的在空间站上获取信息载体(如胶卷、存储器等)和试验样品需要被及时的送回地面。但是目前能够执行天地往返运输任务的航天飞机和宇宙飞船都存在明显的不足：发射成本高、发射次数有限且受发射窗口限制。特别是2003年美国“哥伦比亚”号航天飞机失事也使得人们对其安全可靠性提出了质疑。

空间站有效载荷返回是指空间返回舱在携带有效载荷后，脱离空间站轨道，通过一定的轨道制动进入大气层返回地面。目前常用的空间有效载荷技术主要分为两种：一种是航天飞机技术，其从地面发射与空间站对接，携带好有效载荷后采用升力式再入返回地面，再修复后可再次重复使用；另一种是宇宙飞船技术，其同样利用火箭从地面发射，与空间站对接携带好有效载荷，通过离轨发动机制动离轨，采用半弹道式再入返回地面，不可重复使用。这两项技术都受制于发射窗口的限制，且其高额的发射成本，同时其安全性也存在一定的质疑，因而不能实现空间站有效载荷及时、有效、低成本的返回需求。

发明内容

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，进而提供了一种无动力缆绳辅助的空间站有效载荷返回方法。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：本发明所述的一种无动力缆绳辅助的空间站有效载荷返回方法是基于包括空间站、无动力缆绳、缆绳的存储装置、缆绳的释放回收控制装置和装有有效载荷的充气式返回舱的返回系统来实现的；缆绳的存储装置、缆绳的释放回收控制装置均安装在空间站(或天基平台)上，无动力缆绳以缠绕方式设置在缆绳的存储装置内，装有有效载荷的充气式返回舱通过无动力缆绳与空间站(或天基平台)连接，缆绳的释放回收控制装置用于控制缆绳的释放及回收；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：

$J=\underset{t_0}{\overset{t_f}{\∫}}{N}^2\mathrm{dt}---\left(1\right)$

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_lN_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。

本发明的有益效果是：

由于天气、纬度、光照条件、地球自转以及发射空间飞行器的轨道要求等因素，对传统的空间运载系统来说，其发射时间或时机将受到限制。而绳系辅助返回系统采用天基平台，从太空向地面运输有效载荷，将不受制于上述大部分因素的制约，因而其不受发射窗口的限制。

本发明具有返回成本低、返回及时有效的优点，实现了空间站及低轨道天基平台的有效载荷返回的小型化、低成本、高效率，可广泛应用于空间站或低轨道天基平台的有效载荷返回，对于基于空间站或低轨道天基平台的空间辅助变轨也可以利用本发明所述方法。

本发明所述方法利用无动力缆绳的牵引作用，来实现对返回舱的离轨制动及控制。空间站通过控制缆绳的释放，来精确控制返回舱在空间中的位置，从而实现返回舱的离轨制动并到达目标离轨点，以完成进一步的再入返回。其中离轨过程(离轨过程即t_n与t₀之差，t_n与t₀之差表示返回舱从起始点至离轨点需要的时间)的控制几乎由空间站来实现，因而返回舱不需要额外携带大量的燃料，因而降低了对天地运输系统的压力，也为实现返回系统的小型化提供了可能。本发明方法和传统的空间返回系统相比(主要为宇宙飞船)，可使整个返回系统(包括缆绳和缆绳释放装置)节约了23％的质量，而仅仅考虑返回舱，其节约了35％的质量，充分的体现了其中的优越性。对于不同的空间返回任务——主要考虑质量的不同，仅对缆绳的刚度提出了要求，而目前缆绳的刚度可达到几乎所有任务的需求。

本发明利用无动力缆绳的牵引作用，空间站通过控制无动力缆绳的释放，来控制携带有效载荷的返回舱在空间中的位置，来实现返回舱的有效安全离轨再入。和传统的空间返回方法相比，首先其不受制于发射窗口的限制，可以由空间站自由的安排返回任务；其次本发明中返回舱不需要额外携带大量的推进剂或燃料来完成离轨再入，其离轨再入过程中消耗的能量全部由空间站提供(离轨再入的控制几乎全由空间站来实现)，而空间站可以通过太阳电池阵来获取能量；而且任务完成后，无动力缆绳可以再次回收继续使用，因而其为实现小型化、低成本的、高效率的空间返回任务提供了可能。

附图说明

图1为本发明的无动力缆绳辅助返回方法的原理图(图中：水平箭头表示空间站的运动方向，铅垂箭头表示当地铅垂方向，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，6-空间站运行轨道，7-缆绳展开释放过程中返回舱的运行轨迹，8-与返回舱连接的缆绳停止展开释放点C至离轨点D之间运行轨迹，9-缆绳在D点断开后进入的再入返回轨迹；D点是离轨点，离轨点是指空间飞行器脱离原始轨道进入新轨道的轨道变轨点)；图2为本发明方法的流程框图，图3为实现本发明方法的返回系统的组成示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1所示，本实施方式所述的一种无动力缆绳辅助的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(或天基平台)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(或天基平台)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；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；图1中D点为离轨点，C点表示缆绳释放展开结束点；

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：

$J=\underset{t_0}{\overset{t_f}{\∫}}{N}^2\mathrm{dt}---\left(1\right)$

N表示缆绳对充气式返回舱5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5的控制拉力；N_lN_θ

是N在缆绳方向、θ方向、

方向的三个控制θ拉力分量；

m为充气式返回舱5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；

所述变结构控制律为现有技术范畴，变结构控制律为：

对系统的展开选取切换函数：

$s=\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_d+\mathrm{ksgn}\left(\mathrm{\δ}{q}_4\right){\mathrm{\Ξ}}^T\left(q_d\right)q---\left(5\right)$

式中

——系统实际的展开状态参数

——系统期望的展开状态参数

——系统展开参数的实际变化速度

——系统展开参数的期望变化速度

k——常值系数

sgn(·)——符号函数

δq——误差展开状态参数，具体定义如下

δq＝q-q_d

其中定义如下：

为了得到理想的滑动模态控制，令

$\stackrel{\·}{s}=\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}-{\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_d+\frac{1}{2}\mathrm{ksgn}\left(\mathrm{\δq}\right)[{\mathrm{\Ξ}}^T\left(q_d\right)\mathrm{\Ξ}\left(q\right)\mathrm{\ω}-{\mathrm{\Ξ}}^T\left(q\right)\mathrm{\Ξ}\left(q_d\right){\mathrm{\ω}}_d]=0---\left(7\right)$

根据式(2)～(4)和式(7)可以变为：

式中

则系统展开的的等效控制u_eq为

由于模型不确定性和外界扰动的存在，为了保证系统展开控制具有一定的鲁棒性，系统展开的切换控制u_vss可选择为：

式中G——3×3的对称正定矩阵

——抑制控制力矩的颤振饱和函数。

i＝1，2，3        (11)

式中

的第i个分量

s_i——s的第i个分量

而饱和函数sat(s_i，ε_i)定义为：

$\mathrm{sat}(s_i,{\mathrm{\&epsiv;}}_i)=\left\{\begin{array}{cc}1& s_i>{\mathrm{\&epsiv;}}_i\\ \frac{s_i}{{\mathrm{\&epsiv;}}_i}& \left|s_i\right|\&le;{\mathrm{\&epsiv;}}_i,\\ -1& s_i<-{\mathrm{\&epsiv;}}_i\end{array}\right.i=\mathrm{1,2,3}---\left(12\right)$

则系统的展开控制为

u＝u_eq+u_vss         (13)

利用上面的切换函数和控制律，闭环系统对应的Lyapunov函数为：

$V=\frac{1}{2}{s}^{T}s---\left(14\right)$

则由式(5)、(14)可得：

由于G为对称正定矩阵，显然

因此系统是稳定的。

因而由上可得系统实际输出的控制力N′：

N′＝N+u

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。

针对实现本发明方法的返回系统进行如下说明：

1)、空间站或天基平台1：

其作为无动力缆绳辅助空间站有效载荷返回的平台和主控单元，其功能包括：弹射分离返回舱、计算并发出控制指令给展开释放及回收控制机构、提供展开释放控制过程中所需的能量；

2)、无动力缆绳2及缆绳的存储装置3：

无动力缆绳2是指缆绳本身不产生电动力，仅起牵引作用，区别于电动力绳索。无动力缆绳2采用高度绝缘材料制成，避免与地磁场和空间粒子作用产生作用力，而影响系统展开释放控制的精度，进而影响再入的精度及返回舱的着陆点精度。

而缆绳的存储不仅需要满足占用空间最小化的需求，同时还要满足展开的平稳性和展开状态的可测性。因而采用一种交叉缠绕可转动线轴的存储方法，缆绳交叉缠绕在可转动的轴上，这样缆绳展开释放时，缆绳缠绕的内部张力会逐渐释放，不会影响展开的稳定性。而在缆绳线轴出口处利用光电器件即可测量缆绳的展开状态参数。

3)、缆绳的释放回收控制装置4(展开释放及回收装置)：

缆绳的释放回收控制装置4包括两部分：步进发动机、barberpole展开控制机构。其接收空间站控制计算机的指令来控制步进发动机工作，进而控制barberpole展开控制机构使得缆绳按预定的速度展开释放。

barberpole展开控制机构是一种利用缆绳与缠扰轴的摩擦力来实现缆绳的展开释放控制，通过步进电机控制缆绳与缠扰轴的夹角来控制缆绳与缠扰轴的摩擦力，从而实现有效的展开控制。

4)、装有有效载荷的充气式返回舱5：

充气式返回舱携带有效载荷，利用其外部包裹的大型可充气展开、耐高温材料组成的气囊结构(即装有有效载荷的充气式返回舱5上设有充气式防热罩)，来完成和实现返回舱的再入制动和着陆缓冲等。其可充气展开的气囊结构，在一定程度上节约了返回舱的体积，在任务执行前可以收缩在较小的空间；在执行任务是，充气展开以较大的面质比来高效的完成再入过程中的制动减速，并实现着陆后的缓冲作用。

本发明所述方法的要点为：

1)根据离轨点目标参数要求，包括离轨点位置、姿态和时刻，并考虑燃料最优原则，计算和设计最优的无动力缆绳展开释放轨迹，包括释放开始时刻、初始弹射分离参数和展开释放过程中缆绳末端返回舱在空间的位置；

无动力缆绳辅助返回系统的展开动力学方程为：

考虑燃料最优定义优化目标函数

$J=\underset{t_0}{\overset{t_f}{\&Integral;}}{N}^2\mathrm{dt}---\left(1\right)$

从而确定最优的无动力缆绳展开释放轨迹。

2)以1设计的最优展开释放轨迹作为控制目标，采用变结构控制算法控制实际的缆绳末端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；

3)在展开释放到预定的长度后，进行减速制动，并使得系统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。

给出实现本发明方法的一组技术指标：

1)无动力缆绳长度30km，弹性模量～25Gpa，拉伸强度500-1500Mpa，线密度915kg/m³；

2)有效载荷返回舱质量300kg；

3)轨道高度300km；

4)离轨再入时间2-3小时(t_n与t₀之差)。

Claims (1)

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：

$J=\underset{t_0}{\overset{t_f}{\&Integral;}}{N}^2\mathrm{dt}---\left(1\right)$

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_lN_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。

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