CN109131954B - 利用吸附式质量块改变转动惯量分布的空间碎片消旋装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用吸附式质量块改变转动惯量分布的空间碎片消旋装置和消旋方法，该装置包括安装有太阳能帆板的服务航天器主体，服务航天器主体表面上分布有吸附式质量块和弹射装置；吸附式质量块位于弹射装置顶部并能够被弹出；所述的吸附式质量块的各个表面均匀地分布着用于和目标连接的吸附组件。通过向目标上特定位置发射吸附式质量块，改变目标的转动惯量分布，从而改变目标的角加速度，进而改变目标的角速度，在尽可能地减小对服务航天器影响的要求下，实现对目标的快速消旋。

Description

利用吸附式质量块改变转动惯量分布的空间碎片消旋装置及 方法

技术领域

本发明涉及航天技术，具体涉及一种利用吸附式质量块改变转动惯量分布的空间碎片消旋装置及方法。

背景技术

人类对外太空的探索活动逐渐增加，带来效益的同时也对空间环境也产生了持续深远的影响，太空中残留的火箭末级、失效卫星、航天器任务抛弃物、航天器解体及碰撞衍生物等大量空间碎片对人类航天事业的发展已构成了巨大威胁。因此，空间碎片的主动移除技术已成为目前航天领域研究的热点。空间碎片主动移除的首要关键是实施在轨捕获，而空间碎片大多是非合作目标，由于目标已失去姿态调整能力，且长期处于失控状态运行，受太阳光压、重力梯度等摄动力矩及失效前自身残余角动量的影响，往往会出现复杂的旋转运动，乃至最终趋向于自由翻滚运动。若能做到抓捕前将其转速减慢或直至静止，即消旋处理，将有利于后续的直接捕获及回收处理。

对翻滚非合作目标消旋是指利用外部控制力矩来衰减目标角速度，实现方式按作用力是否与目标接触分为接触式和非接触式两种。基于减速刷或机械脉冲等接触式消旋方法适用于质量较大目标的快速消旋，但是对提供支撑的服务航天器影响大，在消旋过程中对服务航天器的控制能力要求较高；利用气体冲击、静电力、电磁力、激光等非接触力进行消旋有效减少碰撞风险，在安全间距离外衰减目标三轴转速，但是消旋过程持续时间较长。

结合目前空间技术的发展现状：在轨服务航天器精确控制能力有限，尚没有实际针对非合作/失效目标开展机械臂精密操作的在轨任务；受航天器控制弧长和任务周期的限制，消旋时间不能过长。因此，需要提出一种既对服务航天器本体控制要求低、能耗低，同时消旋时间短、消旋过程可控的消旋方法。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种利用吸附式质量块改变转动惯量分布的空间碎片消旋装置及方法。当服务航天器到达目标附近时，通过向目标上特定位置发射吸附式质量块，改变目标的转动惯量分布，从而改变目标的角加速度，进而改变目标的角速度，在尽可能地减小对服务航天器影响的要求下，实现对目标的快速消旋。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种利用吸附式质量块改变转动惯量分布的空间碎片消旋装置，包括安装有太阳能帆板的服务航天器主体，服务航天器主体表面上分布有吸附式质量块和弹射装置；吸附式质量块位于弹射装置顶部并能够被弹出；所述的吸附式质量块的各个表面均匀地分布着用于和目标连接的吸附组件。

所述的弹射装置包括设置在壳体内的弹簧和传动杆件，传动杆件支撑吸附式质量块，传动杆件与弹簧接触并压缩弹簧。

所述的吸附式质量块的各个表面均匀地分布着吸附组件；所述的吸附组件为吸盘。

一种利用吸附式质量块改变转动惯量分布的空间碎片消旋装置的消旋方法，当服务航天器到达目标附近时，通过向目标上特定位置发射吸附式质量块，改变目标的转动惯量分布，从而改变目标的角加速度，进而改变目标的角速度，实现对目标的快速消旋。

作为本发明的进一步改进，具体包括如下步骤：

步骤1：对目标运动进行分析，使目标的角速度ω→0：

设目标当前时刻的角速度为ω₀和惯量矩阵为I₀，当前角速度ω₀与角加速度

符号相反，即让目标朝着ω₀幅值减小的方向的运动；根据空间碎片姿态运动方程(1)和角动量守恒方程(2)进一步明确目标惯量矩阵I各个分量的变化，得到消旋方案；

L＝Iω＝常数 (2)

式中：ω_x、ω_y和ω_z分别为本体系下x、y和_z方向的角速度ω的分量；I_x、I_y、I_z和I_xy、I_xz、I_yz分别为目标的惯量矩和惯量积，它们是惯量矩阵I的分量，具体见式(3)；L是目标的角动量；

步骤2：确定吸附式质量块在目标上的分布位置及规划出吸附式质量块的发射时间和发射方向；

消旋方案给出了目标角速度ω→0，目标惯量矩阵I的各个分量的表达式如下：

根据方程式(4)，I的各个分量与目标质量m的分布相关；采用改变目标质量的方法来改变目标的惯量矩阵，具体通过弹射装置向目标上的指定位置发射吸附式质量块。

步骤2具体步骤如下：

针对绕最小惯量轴的运动：

ω₀的各个分量中只有ω_z0≠0，其余分量ω_x0＝0和ω_y0＝0；相应地，角动量守恒定律(1)简化为

I_zω_z＝常数 (5)

为实现ω_z→0的目的，应该增大I_z；根据方程(4)，I_z的表达式为：

I_z＝∫_m(y²+x²)dm (6)

为了使弹射到目标表面的吸附式质量块能够最大效率地增大I_z，根据方程(6)，往z轴方向弹射吸附式质量块。

步骤2具体步骤如下：

针对绕最大惯量轴的运动：

ω₀的各个分量中只有ω_x0≠0，其余分量ω_y0＝0以和ω_z0＝0；相应地，角动量守恒定律(2)简化为

I_xω_x＝常数 (7)

为实现ω_x→0的目的，应该增大I_x；根据方程(4)，I_x的表达式为：

I_x＝∫_m(y²+z²)dm (8)

为了使弹射到目标表面的吸附式质量块能够最大效率地增大I_x，根据方程(8)，应该往x轴方向弹射吸附式质量块。

步骤2具体步骤如下：

针对存在章动角的翻滚运动：

ω₀的各个分量中都不为0。不失一般性，本发明以对称目标为例进行分析，此时I_xy＝I_xz＝I_yz＝0；那么目标姿态运动方程(2)简化为：

角动量守恒定律(4)简化为：

根据方程式(9)和(10)，需要根据目标的实际运动来协调I_x、I_y和I_z的变化，进而根据消旋要求确定吸附式质量块的发射时间和发射方向。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明的装置包括安装有太阳能帆板的服务航天器主体，服务航天器主体上设有若干个吸附式质量块以及相应的吸附式质量块的弹射装置；吸附式质量块位于弹射装置顶部，弹射装置能够将吸附式质量块按指定方向弹射；吸附组件用于和目标连接。吸附式质量块和弹射装置的数量是由服务航天器自身能够负担的载荷能力决定的。通过质量块的弹射实现对目标的快速消旋。

进一步，吸附式质量块表面分布有吸盘，一旦接触目标就能稳定的吸附在目标表面。

本发明的消旋方法是当服务航天器到达目标附近时，通过向目标上特定位置发射吸附式质量块，改变目标的转动惯量分布，从而改变目标的角加速度，进而改变目标的角速度，通过质量块的弹射在尽可能地减小对服务航天器影响的要求下，实现对目标的快速消旋。主要特点是：一是对服务航天器控制能力要求低，在整个消旋过程中服务航天器不与目标直接接触，基本不会对服务航天器产生影响；二是消旋时间短，通过发射吸附式质量块改变目标的转动惯量分布，实现对目标的快速消旋；三是是消旋过程可控，因为吸附式质量块的弹射时间以及位置是可控的；四是能耗低，仅通过改变目标的转动惯量分布就实现对目标的消旋，不需要额外的能量输入。

附图说明

图1是服务航天器整体示意图；

图2是吸附式质量块和弹射装置放大图，其中(a)为立体图，(b)为沿中轴面的剖视图；

图3是吸附式质量块被弹射装置弹射出去的过程图；

图4是空间碎片旋转运动的几种状态图，其中(a)是空间碎片绕最小惯量轴的自旋运动、(b)是空间碎片绕最大惯量轴的平旋运动、(c)是空间碎片存在章动角的翻滚运动；

图5是空间碎片在不同运动状态时吸附式质量块的附着位置示意图，其中(a)是空间碎片绕最小惯量轴的自旋运动、(b)是空间碎片绕最大惯量轴的平旋运动；

图6是对绕最小惯量轴作自旋运动的目标消旋时期望的角速度随时间变化图；

附图中：1—服务航天器主体；2—太阳能帆板；3—吸附式质量块；4—弹射装置；6—弹簧；7—传动杆件。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明进行详细说明。

本发明提供一种利用吸附式质量块改变转动惯量分布的空间碎片消旋方法，当服务航天器到达目标附近时，通过向目标上特定位置发射吸附式质量块，改变目标的转动惯量分布，从而改变目标的角加速度，进而改变目标的角速度，在尽可能地减小对服务航天器影响的要求下，实现对目标的快速消旋。

参照图1和图2，本发明在结构上包括安装有太阳能帆板2的服务航天器主体1，服务航天器主体2为通用卫星平台，包括姿轨控制系统、电源系统以及在轨运行所需的有效载荷等。服务航天器主体2外表面上分布吸附式质量块3和相应的弹射装置4，其中，吸附式质量块3位于弹射装置4顶部。吸附式质量块3的各个表面均匀地分布着吸盘，一旦接触目标就能稳定的吸附在目标表面上。弹射装置4的主体是弹簧6和传动杆件7。如图3中(a)所示，吸附式质量块3没被弹射时，弹簧6处于压缩状态，并且靠传动杆件7支撑吸附式质量块3。当弹射开始时，弹簧6的形变开始逐渐恢复，推动传动杆件7，吸附式质量块3将逐步脱离传动杆件7，最终被弹射出去，具体过程参照图3。

本发明涉及一种利用吸附式质量块改变转动惯量分布的空间碎片消旋方法，包括如下步骤：

步骤1：目标运动分析，确定消旋方案。

消旋的目的是使目标的角速度ω→0，在空间摄动力矩作用下，空间碎片往往会表现出复杂的翻滚运动形式，其典型运动形式可分为绕最小惯量轴的自旋运动(图4中(a))、绕最大惯量轴的平旋运动(图4中(b))以及存在章动角的翻滚运动(图4中(c))。设目标当前时刻的角速度为ω₀和惯量矩阵为I₀，那么当前角速度ω₀与角加速度

符号必须相反，即让目标朝着ω₀幅值减小的方向的运动。根据空间碎片姿态运动方程(1)和角动量守恒方程(2)进一步明确目标惯量矩阵I各个分量的变化，消旋方案也就随之确定了。

L＝Iω＝常数 (2)

式中：ω_x、ω_y和ω_z分别为本体系下x、y和z方向的角速度分量；I_x、I_y、I_z和I_xy、I_xz、I_yz分别为目标的惯量矩和惯量积，它们是惯量矩阵I的分量，具体见式(3)；L是目标的角动量。

所述的步骤1中建立空间碎片姿态运动方程和角动量守恒方程时忽略了外力/外力矩的影响，这是由于空间环境中物体所受的外力/外力矩很小。

所述步骤1中消旋方案是根据空间碎片的典型运动形式分别确定的，根据运动形式的不同对空间碎片的姿态运动方程进行简化处理，进而快速地确定出目标惯量矩阵的变化。

步骤2：确定可吸附式质量块在目标上的分布位置及可吸附式质量块的弹射方案。

消旋方案给出了为达到目标角速度ω→0的目的，目标惯量矩阵I的各个分量应该如何变化，I的各个分量的表达式如下：

根据方程式(4)看出，I的各个分量与目标质量m的分布密切相关。本发明中采用改变目标质量的方法来改变目标的惯量矩阵，也就是通过弹射装置4向目标上的指定位置发射吸附式质量块3。

进一步，根据实际消旋任务需求，例如在规定时间内完成对目标的消旋，规划出吸附式质量块的发射时间和发射方向。

下面针对空间碎片三种不同形式的典型运动进行具体分析。

(1).绕最小惯量轴的运动(图4中(a))：ω₀的各个分量中只有ω_z0≠0，其余分量ω_x0＝0和ω_y0＝0。相应地，角动量守恒定律(2)简化为

I_zω_z＝常数 (5)

为实现ω_z→0的目的，应该增大I_z。根据方程(4)，I_z的表达式为：

I_z＝∫_m(y²+x²)dm (6)

为了使弹射到目标表面的吸附式质量块3能够最大效率地增大I_z，根据方程(6)，应该往z轴方向弹射吸附式质量块3，如图5中(a)所示。

(2).绕最大惯量轴的运动(图4中(b))：ω₀的各个分量中只有ω_x0≠0，其余分量ω_y0＝0以和ω_z0＝0。相应地，角动量守恒定律(2)简化为

I_xω_x＝常数 (7)

为实现ω_x→0的目的，应该增大I_x。根据方程(4)，I_x的表达式为：

I_x＝∫_m(y²+z²)dm (8)

为了使弹射到目标表面的吸附式质量块3能够最大效率地增大I_x，根据方程(8)，应该往x轴方向弹射吸附式质量块3，如图5中(b)所示。

(3).存在章动角的翻滚运动(图4中(c))：ω₀的各个分量中都不为0。不失一般性，本发明以对称目标为例进行分析，此时I_xy＝I_xz＝I_yz＝0。那么目标姿态运动方程(1)简化为：

角动量守恒定律(2)简化为：

根据方程式(9)和(10)，看出消旋方案的确定不仅与目标各个轴的惯量矩I_x、I_y和I_z相关，还与目标角速度分量ω_x、ω_y和ω_z的正负有关。所以，需要根据目标的实际运动来协调I_x、I_y和I_z的变化，进而根据消旋要求确定吸附式质量块3的弹射方案。

本发明对空间碎片消旋的具体实施例如下：

以对绕最小惯量轴的运动的空间碎片的消旋为例，根据消旋要求，本发明中给定ω_z随时间t的变化关系，以图6所示的变化曲线为例。目标的初始角速度ω_z0＝4°/s，在t＝2s时吸附式质量块3开始与目标接触，设经过Δt＝0.5s吸附式质量块3完全粘附在目标表面，即在t＝2.5s时目标的角速度减小为ω_z1＝2°/s，相应地目标的惯量矩I_z1＝2I_z0；t＝6s时，第二批吸附式质量块3开始与目标接触，同样经过Δt＝0.5s吸附式质量块3完全粘附在目标表面，即在t＝6.5s时目标的角速度减小为ω_z2→0，完成消旋。目标的最终角速度不能变为0是由于受实际情况限制目标的转动惯量不能趋近于无穷大，但是本发明提供的消旋方案仍然是有效的，因为目标的最终角速度基本为0。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种利用吸附式质量块改变转动惯量分布的空间碎片消旋装置的消旋方法，其特征在于，所述消旋装置包括安装有太阳能帆板的服务航天器主体，服务航天器主体表面上分布有吸附式质量块和弹射装置；吸附式质量块位于弹射装置顶部并能够被弹出；所述的吸附式质量块的各个表面均匀地分布着用于和目标连接的吸附组件；

所述消旋方法，包括：当服务航天器到达目标附近时，通过向目标上特定位置发射吸附式质量块，改变目标的转动惯量分布，从而改变目标的角加速度，进而改变目标的角速度，实现对目标的快速消旋；

具体包括如下步骤：

步骤1：对目标运动进行分析，使目标的角速度ω→0：

设目标当前时刻的角速度为ω₀和惯量矩阵为I₀，当前角速度ω₀与角加速度

符号相反，即让目标朝着ω₀幅值减小的方向的运动；根据空间碎片目标姿态运动方程(1)和角动量守恒定律(2)进一步明确目标惯量矩阵I各个分量的变化，得到消旋方案；

L＝Iω＝常数 (2)

式中：ω_x、ω_y和ω_z分别为本体系下x、y和z方向的角速度ω的分量；I_x、I_y、I_z和I_xy、I_xz、I_yz分别为目标的惯量矩和惯量积，它们是惯量矩阵I的分量，具体见式(3)；L是目标的角动量；

步骤2：确定吸附式质量块在目标上的分布位置及规划出吸附式质量块的发射时间和发射方向；

消旋方案给出了目标角速度ω→0，目标惯量矩阵I的各个分量的表达式如下：

根据方程式(4)，I的各个分量与目标质量m的分布相关；采用改变目标质量的方法来改变目标的惯量矩阵，具体通过弹射装置向目标上的指定位置发射吸附式质量块。

2.根据权利要求1所述的消旋方法，其特征在于，步骤2具体步骤如下：

针对绕最小惯量轴的运动：

ω₀的各个分量中只有ω_z0≠0，其余分量ω_x0＝0和ω_y0＝0；相应地，角动量守恒定律(2)简化为

I_zω_z＝常数 (5)

为实现ω_z→0的目的，应该增大I_z；根据方程(4)，I_z的表达式为：

I_z＝∫_m(y²+x²)dm (6)

为了使弹射到目标表面的吸附式质量块能够最大效率地增大I_z，根据方程(6)，往z轴方向弹射吸附式质量块。

3.根据权利要求1所述的消旋方法，其特征在于，步骤2具体步骤如下：

针对绕最大惯量轴的运动：

ω₀的各个分量中只有ω_x0≠0，其余分量ω_y0＝0以和ω_z0＝0；相应地，角动量守恒定律(2)简化为

I_xω_x＝常数 (7)

为实现ω_x→0的目的，应该增大I_x；根据方程(4)，I_x的表达式为：

I_x＝∫_m(y²+z²)dm (8)

为了使弹射到目标表面的吸附式质量块能够最大效率地增大I_x，根据方程(8)，应该往x轴方向弹射吸附式质量块。

4.根据权利要求1所述的消旋方法，其特征在于，步骤2具体步骤如下：

针对存在章动角的翻滚运动：

ω₀的各个分量中都不为0；此时I_xy＝I_xz＝I_yz＝0；那么目标姿态运动方程(1)简化为：

角动量守恒定律(2)简化为：

根据方程式(9)和(10)，需要根据目标的实际运动来协调I_x、I_y和I_z的变化，进而根据消旋要求确定吸附式质量块的发射时间和发射方向。

5.根据权利要求1所述的消旋方法，所述的弹射装置包括设置在壳体内的弹簧和传动杆件，传动杆件支撑吸附式质量块，传动杆件与弹簧接触并压缩弹簧。

6.根据权利要求1所述的消旋方法，所述的吸附组件为吸盘。

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