绳系系统的应用与轨道选择.doc

_空间绳系系统的应用及其轨道选择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。绳系技术可应用于航天器的交会对接与空间发射与释放。与原有技术相比，这些基于绳系技术而提出并正在实现的新型空间技术都具备一些突出的优点。随着各项相关技术的发展，绳系系统技术将会在更大的领域范围发挥更大作用。1 引言空间绳系系统指两个或者多个航天器用柔性绳连接在一起构成的空间系统。最典型的空间绳系系统是由母卫星、子卫星和连接系绳组成，这两个航天器在系绳的约束下一起做轨道运动，其质心的运动同传统的航天器类似（如图1-1）。系绳这种特殊的柔性材料使得能够用相对较少的材料在空间构成非常大的结构，较短的系绳有30m，更长的系绳可能达到几十公里1。图1-1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逐渐被发现。按照不同的空间应用，空间绳系可分为三类空间绳系系统，其名称及特点： 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。 空间电动绳系系统：绳索一端置有电子收集采集器用于收集等离子层中的电子，另一端置有等离子发射器，系统高速运动切割地磁力线的同时便有电流在导电绳缆中产生。 空间动量交换绳系系统：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2。2 静止绳系系统的应用根据静止绳系系统特点，其在空间资源开发和空间环境探测方面具有独特的优点和广泛的应用前景。 应用绳系卫星系统从位于200-400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100-150公里区域并进行较长时间的测量。弥补目前对100一150公里高度层的地球大气进行直接的较长时间的测量的技术空缺。 应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相关研究。 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)。未来空间大型建筑的建造，是人类向太空、外星移居的必由之路，而绳系系统也将在此发挥重要的作用。3 空间电动绳系系统的应用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。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（如图1-2）。图1-24 空间动量交换绳系系统的应用：在空间绳系系统中的各种应用系统中，动量交换是空间系绳最有应用前景的技术之一。其应用有： 绳系交会对接。包括航天器与空间站的交会对接，碎片回收及航天器的轨道机动。 空间升降机。用沿着系绳运动的升降机可以运送货物和人员。 航天器空间指向调整。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。航天工程中的成本通常是巨大的，在航天工程中若能较大的减少成本花费，空间的探索应用的利益空间将会更加促使人们勇敢迈出前进的脚步。又随着全球能源和资源的紧张，寻求一种节省能源消耗同时减少成本的方法显得越加重要。与传统航天器的交会对接相比，利用绳系系统进行交会对接可节省大量燃料降低成本，在一定程度上可提高安全性和可靠性甚至可重复使用，因此有较高的应用价值。下面对空间动量交换绳系系统中的交会对接进行介绍，交汇对接包括绳系捕获技术和空间发射与释放技术。4.1 绳系捕获技术利用绳系进行航天器交会对接，这是一种全新的对接方案。绳系卫星系统包括一颗子星和一颗母星，它们之间用一条细长的软绳相互连接。如图4-1，把子星换成具有不同连接功能的末端效应器，就可以在较远的距离上实现对目标航天器实施捕获或者对接。图4-1对于母星与目标卫星的交会对接，介绍R-bar对接/捕捉方案和V-bar对接捕捉方案。4.1.1 R-bar对接/捕捉方案方案如图4-2所示。对接过程中：母星亦采用飞越轨道，以直线运动轨迹掠过目标卫星；在母星到达目标卫星正上方之前终端器被弹射释放，弹射方向为垂直向下(相对母体)；在随后的时间内，控制绳拉力使终端器接近X轴(如图4-2中位置2)；在位置3，终端器与z轴相交；此后，终端器在拉力控制下沿z轴向下接近目标卫星，最终完成对接。图4-24.1.2 V-bar对接捕捉方案对接方案如图4-3所示。对接过程中：追踪飞行器先稳定于Y轴上的保持点，并始终保持该位置；水平弹射终端器，因绳系拉力不能抵消哥氏力（质点作圆周运动，也做径向运动所产生的力），须由终端器上的发动机进行纵向稳定控制，施加控制力F，绳索可控制终端器的横向接近速度3。图4-34.2 空间发射与释放技术4.2.1 绳系稳态释放方案绳系稳态释放方案的示意图如下：图4-4这个方案中，首先是平台与待发射卫星分离，接着绳系被稳定在平衡位置；绳系系统随后在轨道上稳定运行，直到接到分离命令。4.2.2 绳系旋转快速释放方案如图4-6所示，例如美国的MXER项目中主航天器在轨道上就是通过系绳捕获载荷，然后旋转投放载荷至较高轨道，在投放分离的时候，完成系统的动量交换。图4-5释放过程如下：首先是将子星向上(下)释放；然后快速展开。绳系展开到一定距离后，加大绳索拉力，使得绳系向平衡位置恢复，同时产生一定的旋转角速度；随后在平衡位置附近释放子星，完成发射任务。此方案中绳系在释放时处于旋转状态，因此“绳系旋转快速释放方案”的释放速度较快；由于其释放时角速度大于0，因此与“绳系稳态释放方案”相比，子星在释放时具有更大的速度，可以覆盖更大范围的目标。4.3 绳系卫星系统交会对接的应用4.3.1捕获技术在航天器与空间站对接中的应用航天器与空间站直接进行交会对接会对空间站产生严重的摄动，所以考虑利用空间系绳辅助航天器与空间站进行交会对接。其交会对接过程如图4-6所示。空间站在圆轨道上运行，航天器进入椭圆转移轨道。在该轨道的远地点，航天器的速度与空间系绳末端的速度匹配，航天器被空间系绳末端的对接装置捕获，捕获后收回系绳并把航天器带到空间站。转移到航天器的动量降低了空间站的轨道高度，空间站损失的动量可通过系绳端航天器的制动电动推进或备份推力器得到恢复，空间站可以回到它原来的高度4 。图4-64.3.2绳系交会对接在碎片回收中的应用空间碎片对系绳和其他大型的轨道结构如空间站的安全运行造成威胁，利用系绳技术回收处理空间碎片可以节省大量推进剂从而降低成本对于低轨道的空间碎片。图4-7为用于移除碎片的系统图。图4-74.3.3绳系交会对接在轨道转移中的应用旋转系绳通过转动在轨储存大量动能，并且能给系在系绳末端的有效载荷提供很大的速度增量。使它不需要推进剂就能转移有效载荷。从低轨道转移有效载荷到地球同步轨道的单级旋转绳系系统；也可以把这种系统的分析扩展到二级或者多级旋转绳系系统，可以实现航天器的不耗能变轨，甚至可以实现航天器的地月飞行或者地球火星间的接力飞行。图4-8为低轨至地球同步轨道的二级旋转绳系系统系统图。图4-85 展望空间绳系系统可以几乎不消耗燃料的进行目标航天器的变轨，的巨大优点使得绳系系统将在未来的地球-月球，地球-火星，月球-火星间的空间旅行发挥巨大的作用。 如提出的一种基于绳系系统的新型地月运输平台（图5-1）的概念，可以被看成是一种静止绳系系统与空间动量交换绳系系统的结合品。系统由在地球中低轨道和月球轨道运行的飞行器“投射拦截”平台（图5-2）与中间往返的可重复使用飞船组成。当飞行器从月球以返回时，通过平台拦截并存储飞行器的巨大动能，将飞行器由第二宇宙速度减速为第一宇宙速度，一方面可以省去飞行器用来制动所用的燃料，另一方面，储存的动能一部分还可以被转换成飞行器飞回月球的能量。同样的，在月球轨道上也建立同样的“投射拦截”平台，飞船就可以很便捷地在地月之间来回穿梭了5。 图5-1图5-26 总结主要作为对大气或者地球物理场进行测量的静止绳系系统一般位于低轨道（200-400公里）。而空间动量交换绳系系统的轨道高轨道倾角度等参数则与交会对接的对象的相关参数相关。相关资料：19801985年间美国和日本合作，向328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400米。完成了绳系系统电力研究工作。1992年美国NASA和意大利空间局ASI合作研制的绳系卫星系统TSS-1。利用航天飞机携带绳系卫星在296公里高度轨道上用导电绳索将卫星向上展开20公里。1996年2月，美国航天飞机在飞行过程中试图重复实验TSS。 TSS绳系卫星系绳断开后，栓在系绳另一头的卫星的轨道从296公里的圆轨道变成了425275公里的椭圆轨道。1996年进行了由美国国家侦测机构(NR0)资助，海军研究实验室(NI也)研究制造的系绳物理与生存能力试验系统(Tips)空间飞行试验。Tips系统于运行轨道为圆轨道，高度为1023km，轨道倾角6340度2。参考文献1 王维,宝音贺西,李俊峰.绳系卫星的动态释放变轨J.清华大学学报(自然科学版)2008,48(8):1351-1354