（航空宇航科学与技术专业论文）空间绳系的控制与应用.pdf

国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 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。 空间绳系技术已成为美、欧等国航天研究的热点之一。本文正是在这样的背景下， 展开空间绳系的控制与应用研究，提出了新的观点，并进行了深入的探讨。 本文围绕绳系系统控制问题，绳系在空间交会对接的应用以及绳系的空间发 射释放技术问题进行了深入的研究，研究成果具有一定的创新性。 首先，研究并改进了绳系展开、系留及回收的控制规律。控制规律是绳系卫 星系统的核心问题之一，本文提出了改进的距离速率控制算法，进一步研究了固 定绳索长度系留控制方案。仿真结果表明：与传统方案相比，本方案的稳定域扩 大了一倍，释放速度提高了一倍；当绳系以指定长度系留时，系统过渡过程时间 缩短5 倍以上。 其次，研究了基于绳系的交会对接技术。交会对接是一项重要的空间技术，但 目前国际上依然不能实现r - b a r 对接，对接的灵活性、安全性都有待提高。本文将 绳系系统用于交会对接，提出了三种r b a r 对接方案、两种v b a r 对接方案。研究 表明绳系对接方案具有控制精度高，对接方式灵活，推进剂消耗减少等特点，更 重要的是安全性得到双重保障。 最后，研究了基于绳系的卫星在轨发射释放技术。提出了绳系稳态释放方案 和绳系旋转快速释放方案并对方案的性能进行了分析和优化。仿真结果表明：基 于绳系的空间发射释放技术能够满足对4 0 0 0 公里以下大部分中低轨道的覆盖，具 有广泛的应用前景。 主题词：空间绳系动力学控制规律交会对接动量交换空间发射 第i 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 a b s t r a c t t e t h e r e ds y s t e mi sa ni m p o r t a n tt e c h n o l o g yo f a s t r o n a u t i c s ，w h i c hi san e wd o m a i n o fs p a c et e c h n o l o g yi nt h e s ed a y s s i n c et h em i d d l eo f1 9 7 0 ，t h et h e o r yo ft e t h e r e d s y s t e mh a ss h o w ni t sw i d e l yp o t e n t i a l 印p l i c a t i o n 谢t l ls e v e r a ld e c a d e s d e v e l o p m e n t n et e c h n o l o g yo ft e t h e r e ds y s t e mh a sb e e no n eo ft h em o s ti n t e r e s t i n gf i e l d so fs p a c e r e s e a r c hi na m e r i c aa n de u r o p e b a s e do nt h i sb a c k g r o u n d ，t h ec o n 拓o la n da p p l i c a t i o n o f t e t h e r e ds y s t e mi sr e s e a r c h e d ，s o m en e w o p i n i o n sa r eg i v e na n df u r t h e rd i s c u s s i o ni s p e r f o r m e di nt h i st h e s i s 耵l em a i ni n n o v a t i v er e s e a r c hi nt h i st h e s i si sa b o u tt h ec o n t r o ll a wo ft e t h e r e d s y s t e m ，t h ea p p l i c a t i o nr e s e a r c ho ft e t h e r e ds y s t e mi nr e n d e z v o u sa n dd o c k i n ga n dt h e r e l e a s et e c h n o l o g yo ft e t h e r e ds y s t e m t h e r ea r ed e t a i ld e s c r i p t i o n so fa b o v et h r e e q u e s t i o n sa sf o l l o w s f i r s t l y ，a l la m e l i o r a t e dc o n t r o ll a wa b o u tt e t h e r sd e p l o y m e n t ，h o l d i n ga n dr e t r i e v a l i sp r e s e n t e d 1 1 1 ec o n t r o ll a wi so n eo f t h em o s ti m p o r t a n tq u e s t i o n so f t e t h e r e ds y s t e m i nt h i st h e s i s ，a ni m p r o v e da l g o r i t h mb a s e do nc o m m a n d e dd i s t a n c ea n dv e l o c i t yi s p r e s e n t e da n daf u r t h e rc o n t r o ll a wo f f i x e dt e t h e rd i s t a n c ei sp e r f o r m e d c o m p a r e dw i t i l t h et r a d i t i o n a la l g o r i t h mt h er e s u l to f t h es i m u l a t i o ns h o w st h a tt h es t a b l er e g i o na n dt h e v e l o c i t ya r ed o u b l ee n l a r g e dw h e nt h el e n g t ho ft e t h e ri sa p t o t i ca n dt h ee x c e s s i v et i m e o f t e t h e r e ds y s t e mi sf i v et i m e ss h o r t e d s e c o n d l y ，t h er e n d e z v o u sa n dd o c k i n gt e c h n o l o g yo f t e t h e r e ds y s t e mi sr e s e a r c h e d 1 n b er e n d e z v o u sa n dd o c k i n gi sa ni m p o r t a n tt e c h n o l o g yo fs p a c et e c h n o l o g y , t h e s e c u r i t ya n dt h ef l e x i b i l i t ys h o u l db ei m p r o v e da n dr - b a rw a yr e n d e z v o u sa n dd o c k i n g c a nn o tc o m en 1 i en o w a d a y s i nt h i st h e s i s , t e c h n o l o g yo ft e t h e r e ds y s t e mi su s e di n r e n d e z v o u sa n dd o c k i n g 。t h r e ev b a ra n dt w or - b a rw a y sa r eg i v e n 1 1 1 cr e s u l to f r e s e a r c hs h o w st h a ti th a sg o o dh i g hd e g r e eo fa c c u r a c y , f l e x i b i l i t y ，m u c hl e s s p r o p e l l a n te x p e n d i t u r e ，a n dt h es e c u r i t yi sd o u b l ee n s u r e d l a s t l y ，t h et e c h n o l o g yo fe m i s s i o no rr e l e a s eb a s e do nt e t h e r e ds y s t e mi s p e r f o r m e di no r b i t n es t e a d ys t a t ea n dq u i c k l yr o t a t e dr e l e a s et e t h e rp r o g r a m m ea r e p r e s e n t e d 乃ep e r f o r m a n c eo ft h ep r o g r a m m ei sa n a l y s e da n dm a j o r i z e d 刀砖r e s u l to f t h es i m u l a t i o ns h o w st h a tt h em i d d l ea n dl o wo r b i tb e l o w4 0 0 0k i l o m e t e r si sc o v e r e db y t h et e c h n o l o g yo fe m i s s i o no rr e l e a s eb a s e do nt e t h e r e ds y s t e mw i e hh a sw i d e l y p o t e n t i a lm i l i t a r ya p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：t e t h e r e ds y s t e m ；d y n a m i c s ；c o n t r o ll a w ；r e n d e z v o u s a n dd o c k i n g ；m o m e n t u mi n t e r c h a n g e ；s p a t i a ll a u n c h 第“页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 表目录 表2 1 地球大气密度基本参考数据1 8 表4 1 绳系对接捕获方案对比 表5 1s e d s 绳系系统质量与尺寸参数6 8 表5 2 几种材料的强度( g p a ) 及质量特性6 9 表5 3 展开前为4 5 0 公里圆轨道时，绳索长度与性能的关系7 1 表5 4 绳索长度为1 0 0 公里时，初始轨道高度( 圆轨道) 与性能的关系7 4 表5 5 方案l 、2 性能对比 表5 6 方案l 、2 、3 数据统计表8 3 表5 7 展开前为4 5 0 公里圆轨道时，稳态释放方案性能8 4 表5 8 展开前为4 5 0 公里圆轨道时，旋转快速释放方案性能8 4 第1 i i 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 图目录 图1 1 绳系示意图 图1 2 空间环境探测与科学实验绳系技术示意图5 图1 3 图1 4 图1 5 图1 6 图1 7 图1 8 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 空间动量交换绳系技术原理示意图。 电动绳系系统示意图。 t s s 一1 绳系卫星系统 p m g 绳系系统原理示意图 t i p s 绳系系统。 微小卫星无推进剂电动绳系推进系统 符号说明用图 重力分解示意图 地球大气密度与高度关系曲线 地心惯性坐标系动力学方程用图 6 6 9 】【o 1l 1 2 图2 5 两种方法计算结果比较。2 0 图2 6 两飞行器的相对位置向量 图2 7 子星上的视线坐标系 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 第一阶段和第三阶段的过渡函数 新控制规律下t s s 1 子星的运动轨迹 文献中t s s 1 子星的运动轨迹 绳长及绳索拉力仿真结果 2 1 2 8 2 8 2 9 2 9 图3 5 文献中系绳长度和张力变化。3 0 图4 1 绳系捕获系统方案示意图 图4 2 图4 3 图4 4 悬停对接捕获方案示意图 正上方弹射沿半径方向捕捉示意图。 捕捉机构运动轨迹以及v x 变化曲线 ：；1 3 2 3 3 3 4 图4 5 对接装置弹射方向( 左为正上方弹射方案，右为斜上方弹射方案) 3 5 图4 6 图4 7 图4 8 绳长随时间的变化曲线 纵向速度v x 随时间的变化曲线 斜上方弹射沿半径方向捕捉示意图 图4 9 捕捉机构的相对坐标变化曲线 3 6 3 6 3 7 图4 1 0 捕捉机构纵向速度v x 随时间的变化曲线 图4 1 l 捕捉机构横向速度v y 随时间的变化曲线 图4 1 2 绳索拉力与时间的变化曲线 4 0 4 0 第l v 页 b ：2 体 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 图4 1 3 图4 1 4 图4 1 5 图4 1 6 图4 1 7 图4 1 8 图4 1 9 图4 2 0 图4 2 1 图4 2 2 图4 2 3 图4 2 4 图4 2 5 图4 2 6 图4 2 7 图4 2 8 图4 2 9 图4 3 0 图4 3 1 图4 3 2 图4 - 3 3 图4 3 4 图4 3 5 图4 3 6 图4 3 7 图4 3 8 图4 3 9 图4 4 0 图4 4 1 图4 4 2 图4 4 3 图4 4 4 图4 4 5 图4 4 6 加预测后捕捉机构的相对坐标变化曲线 加预测后捕捉机构的纵向速度v x 随时间的变化曲线 加预测后捕捉机构的横向速度v y 随时间的变化曲线 加预测后绳索拉力随时间的变化曲线 4 l 4 2 4 2 4 3 相对高度为9 0 m 时，施加预测与不施加预测捕捉机构的相对坐标曲线4 3 横向距离为2 0 m 时，施加预测与不施加预测捕捉机构的相对坐标曲线“ 弹射速度圪一o 3 5 m s ，施加预测与不加预测捕捉机构的相对坐标曲线4 4 不同弹射速度时捕捉机构的相对坐标变化曲线。 4 5 不同弹射速度时捕捉机构的纵向速度v x 随时间的变化曲线4 5 不同弹射速度时捕捉机构的横向速度v y 随时间的变化曲线4 6 绳索拉力与时间的变化曲线 不同相对高度时捕捉机构的相对坐标变化曲线 4 6 4 7 不同相对高度时捕捉机构的纵向速度v x 随时问的变化曲线4 7 不同相对高度时捕捉机构的横向速度v y 随时间的变化曲线4 8 不同相对高度时绳索拉力随时间的变化曲线4 8 不同横向位置时捕捉机构的相对坐标变化曲线 4 9 不同横向位置时捕捉机构的纵向速度v x 随时问的变化曲线4 9 不同横向位置时捕捉机构的横向速度v y 随时间的变化曲线5 0 不同横向位置时绳索拉力随时间的变化曲线5 0 捕捉机构的相对坐标变化曲线 5 l 不同稳定时间时捕捉机构的纵向速度v x 与时间的变化曲线5 l 不同稳定时间时捕捉机构的横向速度v y 随时间的变化曲线5 2 不同稳定时问时绳索拉力随时间的变化曲线 不同阻尼系数时捕捉机构的相对坐标变化曲线 水平停靠v b a r 对接捕获方案示意图 斜上方悬停v b a r 对接捕获方案示意图 初始时刻捕捉机构在y 轴上方厂f 方 。5 2 5 3 。5 3 5 4 。5 5 初始时刻捕捉机构在y 轴上方，下方运行轨迹图5 6 捕捉机构的相对坐标变化曲线 捕捉机构的纵向速度v x 随时间的变化曲线。 捕捉机构的横向速度v y 随时问的变化曲线 绳索拉力随时间的变化曲线 不同相对高度时捕捉机构的相对坐标变化曲线 5 6 5 7 5 7 5 8 5 9 不同相对高度时捕捉机构的纵向速度v x 随时间的变化曲线5 9 第v 页 国防科学技术大学研究生院t 学硕士学位论文 图4 4 7 不同相对高度时捕捉机构的横向速度v y 随时1 日j 的变化曲线5 9 图4 4 8 不同相对高度时绳索拉力随时间的变化曲线6 0 图4 4 9 母星初始位置不同时捕捉机构的相对坐标变化曲线6 0 图4 5 0 母星初始位置不同时捕捉机构的纵向速度v x 随时间的变化曲线6 1 图4 5 1 母星初始位置不同时捕捉机构的横向速度v y 随时间的变化曲线6 1 图4 。5 2 母星初始位置不同时绳索拉力随时间的变化曲线6 2 图4 5 3 阻尼系数不同时捕捉机构的相对坐标变化曲线6 2 图 图 图 图 1 2 3 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 图5 9 图5 1 0 图5 1 1 图5 1 2 图5 1 3 图5 1 4 图5 1 5 图5 1 6 图5 1 7 绳系系统受力图( 非稳定平衡位置) 6 5 s e d s i 绳系系统和有效载荷6 7 s e d s - - i 绳系制动剖面图6 8 绳系稳态释放方案 平衡状态下绳索长度与拉力的关系7 2 绳索长度与释放后子星远地点的关系7 3 绳系旋转快速释放方案 展开时机分析 释放时机说明图7 7 方案1 、2 计算结果 方案1 性能 7 8 8 ( ) 方案1 时间与拉力的关系8 0 方案2 性能 方案2 时间与拉力的关系 方案3 性能 方案2 时间与拉力的关系 理论上限与各方案性能对比 8 l 8 1 8 ：! 8 ：! 8 ：； 第v i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一阿工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目：空闷绳墨曲整剑生廑厦 。 学位论文作者签名： 主曼堡。旦 日期：，- 6 年，。月f 孺 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留使用学位论文的规定本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全都或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文题目：空回缦基煎控劐盏廑厦： 学位论文作者签名：蕉垒望日期：、卵6 年f f 月f 7 日 作者指导教师签名：茎丝日期：6 年f f 月f 7 日 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 项目研究的目的和意义 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被发现【l j ， 其中包括：利用子星远离母星而不受到辐射及电磁干扰的优越条件，进行其它条 件下无法完成或者不适宜完成的科学试验( 比如重力梯度试验、高空电离层试验、 空气热力学试验、外层大气科学研究以及辐射天文学试验等) ；利用绳系释放有 效载荷以及空间有效载荷的回收与废物处理；利用绳系系统可以随意控制的微重 力环境，进行太空生产；利用电动力学系绳发电；利用绳系进行能量与物质的传 送等等。 鉴于空间绳系技术的广泛应用前景，各航天大国对空间绳系理论及应用展开 了深入研究并进行了试验验证。目前，动量交换电动推进绳系技术( m x e r ) 是 n a s a 在空间推进( i s p ) 计划中支持的五个研究区域之一。 绳系的展开、回收、留位控制问题是空间绳系技术的前提，其中回收以及留 位的稳定控制一直存在稳定性差、稳定时间长的问题。于绍华所提出了距离速率 算法解决了回收的稳定性问题，但是稳定域只有5 0 ，稳定留位所需要的控制时 间很长。对该问题的研究有助于提升绳系系统的应用价值。 交会对接技术无论在民用领域还是在军事领域都有非常重要的意义。仅美国 就有“试验卫星系统”( x s s ) 计划，自主交会技术演示验证d a r t 计划，轨道 快车计划同时进行。综观美、俄成熟的空问站交会技术以及正在研究的自主交会 技术，可以发现：目前空间交会对接方式较为单一，只能实现v - b a r 对接；而且交 会过程相当危险( d a r t 航天器就与目标卫星发生了碰撞) 。绳系系统可以通过 绳索对子星实施连续、精确的控制，如果将这种特性用于交会对接将有效提高对 接的安全性，而且可以方便地实现r - b a r 、v - b a r 两种对接方式。 空间发射、释放是未来空间服务、空间对抗的基础之一。绳系系统提供了在 轨释放子航天器和增强子航天器机动能力的有效方法。绳系在轨释放系统利用动 量交换原理，将母航天器的动量转移到子航天器上，可以将子航天器转移到更高 的轨道；或者反过来使其轨道降低。这样就可以提高子航天器的机动能力，或者 在同等机动能力基础上减少子航天器携带的推进剂量。而且释放过程平缓、无冲 击、可重复利用，特别适合于释放多颗子航天器。 本课题来源于8 6 3 课题“天基机动作战飞行器绳系机动投放与机动系统”。 本文针对绳系系统的特点，研究了绳系系统的展开、回收、留位控制方案，研究 第1 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 了绳系交会对接方案以及绳系空| 日j 释放方案。这些研究对提高我国绳系研究、应 用水平具有一定的参考价值。 1 2 国内外研究进展状况 绳系卫星系统( 简称t s s ) 的概念：一个子星由一条又细又长的软绳与母星 系连；通过绳系伸卷机构可把子星放出、留位和回收到母星中口卅。该概念是由意 大利天文学家c o l o m b o 在1 9 7 4 年提出的，如图1 1 所示。复杂绳系系统由多个空 间物体组成，用系绳把他们连接成闭环体、树形或者多面体5 1 。 图1 1 绳系示意图 一种最简单的绳系卫星系统是用一根长几十公里甚至几百公里的系绳把两个 航天器连在一起飞行。复杂绳系系统由多个空间物体组成，用系绳把它们连接成 闭环形、树形或多面体。 1 2 1 空间绳系技术的发展过程 自然界和现实生活中绳系应用与现象随处可见，如用绳拴牛马、放风筝、祖 先用绳投掷石头捕猎等。 前苏联科学家齐奥尔科夫斯基早在1 8 9 5 年在其著作关于地球和天空的梦想 中设想用一根细长绳连接空间两个大质量飞行体来探测微弱的重力梯度力 6 1 。1 9 1 0 年，仓德尔提出了空间升降机的设计方案，用一根即6 万公里长的系绳从月球伸 到地球，在重力和离心力的作用下，这条系绳总是拉紧的。沿这条系绳可以运送 货物，就像用索道运送货物一样。 在二十世纪2 0 3 0 年代，齐奥尔科夫斯基的设计思想体现在孔德拉秋克旋转 式系绳空间站设计方案中和别利亚耶夫的科幻小说中。仓德尔关于空间升降机的 第2 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 设计思想于二十世纪6 0 7 0 年代在阿尔楚塔诺夫的著作中得到了发挥，他提出了 一个从地球表面到静止轨道的绳系系统方案。而波利亚科夫则提出了一个地球空 间项链绳系系统方案。 空间绳系技术的应用早期起因于宇航救生、微重力实验及外空辐射测量等方 面的需要，后来随着研究的展开与深入，科学家们逐渐发现这种航天系统还具有 其它许多新颖独特的应用，这种新应用的发现又促进了空间绳系技术的研究与发 展。 1 9 6 5 年前苏联能源火箭公司( 前中央机械制造设计局) 准备开始作世界上第一 个系绳系统的空间实验。当时提出，用一根l 公里长的钢绳把联盟号飞船与运载 火箭末级连在一起，使它们一起运转，在飞船上造成人工重力。但因其它原因， 该计划未能实施。 世界其它国家在这一技术领域的发展是与意大利科学家科隆博( c o l o m b o ) 的 名字分不开的。他与在美国工作的意大利专家格罗西( m a r i og r o s s i ) 一起于二十 世纪6 0 7 0 年代设计了许多空间绳系系统及其实际应用方案并积极推动这一技术 领域的发展。尤其是他们提出了电动绳系系统和捆绑式大气探测器设计思想，这 些思想在上世纪9 0 年代的意大利美国的空间绳系系统t s s 1 和t s s 2 方案中得 到了实际应用。 实际的空间绳系技术应用研究是从1 9 7 2 年格罗西建议美国n a s a 利用绳系系 统开展空间无线电物理学实验开始，至到1 9 8 3 美国和意大利政府间达成合作协议， 真正系统地开始了空间绳系技术应用研究。 近几十年以来，空间绳系技术的应用能够降低空间活动费用而受到各国航天 界重视。美国航空航天学会( a i a a ) 专门成立一个空间绳系技术委员会，开展各 国间空问绳系技术研究交流，己组织了四届空间绳系国际会议( 1 9 8 6 年在美国阿 林顿，1 9 8 7 年在意大利威尼斯，1 9 8 9 年在美国旧金山，1 9 9 5 年在美国华盛顿) 。 在1 9 8 9 1 9 9 2 年、1 9 9 8 年和2 0 0 0 - - 2 0 0 2 年期间举行的a i a a 空间科学会议均设 有空间绳系技术主题，2 0 0 1 2 0 0 2 年国际空间技术应用研讨会中也专门设立了空 间绳系技术应用主题。 目前开展空间绳系技术应用研究机构主要分布在美国、意大利和俄罗斯等国 家，如美国的m s f c ( m a r s h a l ls p a c e f l i g h t c e n t e r ) 、j p l ( j e t p r o p u l s i o n l a b o r a t o r y ) 、 t e t h e ru n l i m i t e d 公司、n r l ( n a v a lr e s e a r c hl a b o r a t o r y ) 、n r o ( n a t i o n a l r e c o n n a i s s a n c eo f f i c e ) 、h s c a ( h a r v a r d s m i t h s o n i a nc e n t e rf o ra s t r o p h y s i c s ) 、 e n e r g i a 公司、s p r l ( s p a c ep h y s i c sr e s e a r c hl a b o r a t o r y ) 、g s f c ( g o d d a r ds p a c e f l i g h tc e n t e r ) 、j s c ( j o h n s o ns p a c ec e n t e r ) 、l a r c ( l a n g l e yr e s e a r c hc e n t e r ) 和意大利的p a d o v a 大学、i f s i ( i n t e r p l a n e t a r ys p a c ep h y s i c si n s t i t u t e ) 等。他们对 第3 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 空间绳系技术应用研究主要集中于以下几个方面： ( 1 ) 空间绳系系统设计； ( 2 ) 高强度长寿命绳索材料、结构及制造技术； ( 3 ) 绳索展开回收机构及控制【7 ，引； ( 4 ) 载荷捕获机构及控n t 9 - 1 2 1 ； ( 5 ) 高效电子收集，发射器 1 3 - 1 5 j ； ( 6 ) 交会与捕获在时间、位置及速度上的精确控制1 1 6 1 ； ( 7 ) 绳系系统动力学控制与稳定； ( 8 ) 绳系结构逃避空间碎片飞行器撞击的机动能力控制。 人类系统性地开展空间绳系技术研究源于上世纪八十年代，由于空间绳系技 术具有其自身的特点和其它空间技术无可替代的优势，所以各国纷纷加大了对空 间绳系卫星技术的研究力度。随着空问绳系系统中的各类关键技术不断突破，使 得空间绳系技术实际应用日渐成熟。 从上个世纪6 0 年代开始，空间绳系系统研究主要集中在非导电绳系系统的动 力学、稳定性与控制等方面研究，得出了一些基本而重要的结论，即( 1 ) 在通常 情况下，非导电绳系系统的姿态运动与轨道运动关联很小，可以认为不相耦合； ( 2 ) 大气阻力对非导电绳系系统中子星的摆动影响较大；( 3 ) 在系统展开、状 态维持及回收三个过程中，展开运动基本稳定，而回收运动则属于不稳定状态， 提出了一系列的非导电绳系系统姿态控制方法，如张力控制法、绳长变化率控制 法、偏置控制法、目标函数控制法及反馈控制法等【1 9 捌。 绳系系统与传统航天器相比有三个主要特点： ( 1 )它有很大的长度，保证该系统在轨道上保持稳定的垂直状态，在系 统的一端形成小的人造重力。用系绳连在一起的各个航天器有轨道 速度不足或充裕，但它们在不问高度上用同一个旋转周期运动【2 1 1 。 ( 2 )利用放出或收缩系绳的长度可以改变系统的构形。借此可以调整各 航天器的相互位置及其指向，增连或脱开一些航天器，沿着系绳传 送货物等2 2 删。 ( 3 )导电系绳同外界、首先是同地球磁场和电离层积极地相互作用，可 以保证该系统在发电状态、推进状态、输电状态和辐射状态下工作。 空间绳系系统按照不同的空间应用，可分为三类空间绳系系统，即： 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 置和指向是不变的。可用于深空、近地空间、地球大气和地球表面研究；也可以 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 第4 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 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研究。在组成绳系 系统的航天器上，可以在微重力环境下进行各种实验研究和技术操作，如生物医 学研究、物质和材料生产、植物生长等。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) 【2 ”8 1 。 图1 2 给出了绳系系统用于空间环境探测与科学实验绳系技术示意图。空间绳 系技术在空间资源开发和空间环境探测方面有其独特的优点和广泛的应用前景。 目前几乎没有任何手段对1 0 0 一1 5 0 公里高度层的地球大气进行直接的较长时间的 测量。应用绳系卫星系统从位于2 0 0 - - 4 0 0 公里高度的母星( 航天飞机、空间站或 其它空间飞行器) 上向下伸展空间探测平台，可以进入1 0 0 一1 5 0 公里区域 2 9 , 3 0 l 。 通过控制系绳收放，可以获得空间探测物理参量的局部空间分布，从而得到真正 的大范围的三维空间环境数据。这些数据将避免空间环境中的突发异常事件对空 间和地面若干高科技系统以及人类健康产生严重危害。 、 图1 2 空问环境探测与科学实验绳系技术示意图 空间动量交换绳系系统： 该系统的特点是：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。系统可用于完成航天器的轨道机动而不消耗燃料，即用系绳把航天器抓住并 把它拖走。例如，用约5 0 公里长的系绳把货运飞船从轨道站上吊下来，然后把它 放开，飞船脱离轨道并降至地面，轨道站则再升高自己的轨道，而不费一滴燃料。 用沿着系绳运动的升降机可以运送货物和人员。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。 第5 页 黼 料 翠e 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 弋7 翁 粼一 ，奈。蟀 图1 3 空间动量交换绳系技术原理不惹图 图1 3 是美国t e t h e r 公司设计的动量交换绳系系统：绳系系统在预定轨道运行 并绕其质心旋转。绳索端头的捕捉器运动至轨道近地点时，抓取在地球近地轨道 ( l e o ) 飞行的载荷，旋转半周后，释放并投掷载荷进入高能量轨道p u “。随后， 利用电动系绳推进系统使其恢复到原运行轨道，进行下次载荷抓取投掷。反之， 使用该技术也可将载荷( 如在其它星球上采集的样品舱) 送回到地球。动量交换 绳系技术可用于空间载荷运输，如地球一月球、地球一火星、火星一月球等。 空间电动绳系系统1 3 ”i i ： 系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，如图1 4 所示。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。 图1 4 电动绳系系统示意图 空间系绳根据用途不同可分为两种，即： 第6 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 导电系绳： 导电系绳主要用于空间电动绳系系统，通过与地球磁场的相互作用，产生阻 力、推力或动力，从而使得目标飞行器轨道降低、轨道维持提升或为飞行器提供 动力源。 非导电系绳： 非导电系绳主要用于空间环境探测、空间载荷运输等空间绳系系统。 目前国际上已开展的空间绳系技术飞行试验中的系绳主要由美国c o r t l a n d c a b l e 公司和t e t h e r su n l i m i t e d 公司制造。 1 2 2 国外研究进展 前苏联和俄罗斯研究进展 前苏联曾组织科学队伍从事空间绳系系统的理论研究。从6 0 年代末期起，开 展空间绳系系统研究主要是在苏联科学院应用数学研究所和莫斯科国家航空技术 大学进行。近年来莫斯科航空学院、莫斯科鲍曼国家技术大学、莫扎伊斯基军事 空间工程研究院也开始了类似的研究工作。机械制造中央科学研究院、俄罗斯科 学院无线电技术和电子学研究所以及莫斯科技术物理研究所等研究机构开展绳系 系统的电动力学和无线电物理学等方面的研究。 机械制造科研生产联合公司曾与地球磁性、电离层及无线电波传播研究所一 起在钻石号空间站上进行了一项实验计划，从站上伸出一条系有仪器平台的绳索 进行地球物理研究。在拉沃奇金科研生产联合公司，正在设计一项火星探测计划， 以火卫行星际站为基地放出系绳型火星侵入式探测器，另一项计划是以预报卫星 为基地放出系绳系统，进行空间站的维护工作。俄罗斯科学院空间研究所提出了 一项四方形绳系系统，用来研究近地空间的电场和磁场。莫斯科通信和信息技术 大学正在研究一种“奔跑”式系绳系统。 萨马拉航空研究所和中央特别设计局与德国公司一起设计在光子卫星上系上 一个德国野莴苣舱的实验计划。机械制造中央科学研究院根据美国航宇局的要求 设计了一种两用研究计划，在进步m 号飞船上装设电动绳系系统。 能源火箭航天公司与欧洲专家们协作正在设计借助一些长的绳索使弹道舱和 货运飞船从载人空间站返回地面的实验计划。能源公司还曾于1 9 9 4 年同德国一家 公司合作进行了虹舱的系绳返回实验。 俄罗斯能源火箭航天公司从1 9 8 7 年重新投入了空间绳系系统的研究工作，在 载人空间站的框架内掌握并应用这种系统。他们制订了发展俄罗斯空间绳系系统 的设想，即第一阶段，在空间站上进行系绳1 、系绳1 a 、火神、和系绳- 2 等一系 列空间绳系系统实验：下一阶段，制造并在新的空间站上试运行运输型、发电型 第7 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 和研究型绳系系统。 系绳1 系统是由俄罗斯能源公司于1 9 8 9 年完成的一项独特的设计。实验目 的是研究绳系系统展开力学、飞行和分离及其无能耗轨道机动飞行。系绳1 计划 规定在轨道上建立由和平号空间站与进步m 号飞船组成的空间系绳系统，它们之 间用2 0 公里长的合成纤维系绳相连。系统在轨飞行一周后实现分离，飞船进入低 轨道，而空间站则增加轨道高度，这种机动飞行可节省约1 5 0 公斤燃料。系绳1 系统原定于1 9 9 9 年下半年进行实验，但至今尚未见到有关实验方面的报道。 系绳一1 a 实验的设想与系绳1 相同，只是把系绳长度增加到5 0 公里。利用这 样长的系绳可使货运飞船从轨道上无能耗降落，并在太平洋预定地区溅落。这时 空间站把轨道升高约l o 公里，可节省燃料达4 0 0 公斤。 火神绳系系统计划是在轨道上展开一个电动系绳系统，从货运飞船上伸出一 根长1 0 0 米的杆，杆端装有仪器舱。分别装在飞船上和仪器舱内的电子仪器带有 等离子接触器，可以完成绳系系统电动特性及地球磁场和电离层等离子区内各种 现象的研究。此外，在空间站上和在专门布置的地面测控点上计划接收和分析辐 射的超低频无线电信号。在2 0 昼夜的飞行过程中将进行发电状态、推进状态、输 电状态和辐射状态的功能试验，以及在轨定向控制试验。 系绳一2 绳系系统计划是在对轨道绳系系统的力学、电动力学和无线电物理 学作全面系统的研究。该系统由轨道站和货运飞船组成，用2 0 公里长的电缆连接， 升降机可沿着电缆上下移动。装在空间站、飞船和升降机上的仪器可进行系统在 不同状态下的试运行，并进行预定的系统动态和电磁特性研究。系绳系统在轨飞 行不少于一个月，之后将分离。 如果系绳1 和系绳1 a 空间绳系实验获得成功，则开始制造并在轨道站上使用 多次使用的运输绳系系统，用于从轨道上下降返回舱、工作完的飞船和组件、桁 架和电池板。这种绳系系统还用来定期提高空间站的轨道而不消耗燃料。根据预 先的设计，该系统的基础将是一个空间站的专用舱，它包括一个卷扬机，用于展 开6 0 公里长的系绳；一个1 0 0 米长的桁架推出和拉回机构和一具货物抓起和抛出 装置。 在火神和系绳2 实验完成后，则开始设计一种在空间站上正常运行的绳系系 统。在长电缆的一端装设一个太阳能或核能发电装置，所发出的电通过电缆传送 给空间站，保证空间站各辅助系统及其他仪器用电。此外，系统在推进状态工作 时，电缆内的电流与地球磁场相互作用，靠电动力支撑或缓慢提高空间站轨道的 高度。在发电状态工作时，部分地降低系统的轨道高度，可在短时间内使空间站 获得大功率电能。 第8 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 美国和意大利的进展 在空间绳系技术应用研究的基础上，开展了一系列空间绳系技术飞行验证试 验。 1 9 6 6 年底，美国在双子星座载人飞船上曾作过2 项实验，即用3 0 米长的合成 纤维把飞船与阿金纳火箭级连在一起。第一次实验中，空间物体的绑体绕共同的 质心旋转；第二次实验中，在稳定的垂直状态下旋转。 1 9 8 0 1 9 8 5 年间美国和日本合作，向3 2 8 公里高空进行了4 次探空火箭的发 射。有效载荷在飞行过程中沿导电系绳离开箭体4 0 0 米。在前两次实验中，系绳 只伸长3 0 米和6 5 米；在后两次实验中，系绳完全放出，完成了绳系系统电力研 究工作。 1 9 9 2 年美国n a s a 和意大利空间局a s i 合作研制的绳系卫星系统t s s 1 ，如 图1 5 所示。利用航天飞机携带绳系卫星在2 9 6 公里高度轨道上用导电绳索将卫星 向上展开2 0 公里，其中卫星重5 0 0 公斤，绳索和展开机构重6 1 2 0 公斤。该系统 在轨完成1 2 项科学实验，如电离层低频波测量、电动力特性和无线电物理研究等。 由于机械上的原因，固定在卷扬机上的系绳总共仅放出了2 6 5 米。 图1 5t s s 一1 绳系卫星系统 1 9 9 6 年2 月，美国航天飞机在飞行过程中试图重复这一实验( t s s 鼬。系绳全 部放出，但由于短路而被烧断，可能是绝缘层被机械损伤所致。由于出现事故， 昂贵的意大利卫星连同系绳一起坠入其它轨道