空间绳网柔性多体动力学与控制研究

Space nets which are very light ,large deformable, affordable and multifunctional, can be used as a novel strategy for On-orbit capture or building new space structures. Special flexible multi-body dynamics and control methods are needed to investigate the nonlinear characteristics of time-varying structure 、 large deformabe and rigid-flexible coupling in the processes of folds 、 deploymemt、orbit transfer. In the proposal which focuses on solving the dynamics problems of On-orbit capture and transfer, the time-varying struture and variable mass dynamics for non-spinning nets are investigated for the process from compressed to completely deployed state; The methodology for modeling of spinning-net would be developed based on absolute node coordinates method, which can be used to simulate the motion of deformable nets that undergo large translation and rotation desplacements and analyze the riding stability. The coordinated control strategy of tether tension and actor is proposed for orbit transfer. The resarch would benefit the design and analysis of encapsulation , control of deployment profiles , and motion of combinatorial tether system.

空间绳网具有重量轻、成本低、大变形和应用灵活等特点，为发展在轨抓捕或构建新型空间结构可提供独特思路。空间绳网的折叠、展开和轨道运动等涉及到变结构、柔性大变形和刚柔耦合等非线性动力学行为，亟需发展新的柔性多体动力学建模与控制方法。本项目以空间在轨抓捕和轨道转移为应用背景，研究无旋绳网从折叠到展开过程的变质量、时变结构动力学特性；基于绳索粘弹性本构模型和绝对节点坐标法，建立旋转绳网的柔性多体动力学模型，研究绳网展开控制与扰动力作用下的运动稳定性问题；建立绳系复合体轨道转移过程中的刚柔耦合动力学模型，研究推力与系绳张力协同控制的优化策略。研究工作将为空间绳网的封装、展开控制和绳系复合体运动控制提供分析方法和理论支撑。

空间绳网是典型的柔性多体结构系统，其工作过程具有复杂的动力学特性，涉及到非线性动力学、变质量动力学以及多体系统动力学等理论难题。.本项目对空间绳网捕获与离轨任务中涉及到的空间无旋绳网系统、空间旋转绳网系统和绳系复合体这三个研究对象开展了动力学与控制等方面的研究与试验研究。针对地面环境和太空环境下的不同受力特性，推导了空间无旋绳网系统集中质量模型，并通过地面试验验证了仿真模型的可信度。基于正交试验设计对空间无旋绳网进行了系统参数灵敏度分析，确定了各设计参数的主次顺序和显著程度，剔除了低灵敏度的参数，将设计参数精简为发射速率和发射张角，性能指标精简为最大展开时间和最大展开距离。空间旋转绳网系统的展开过程分为网臂展开和绳网展开两个阶段，根据两个阶段各自不同的特点分别建立了系统动力学模型并进行了仿真。针对绳网捕获后的绳系复合体，将拖船与目标视为刚体，绳网等效为多条柔性吊带，建立了多点吊挂双刚体模型，并推导了包含系统质心轨道运动、两体相对运动、航天器姿态运动以及拖船质量变化的系统动力学方程。将绳系复合体离轨控制分为消旋、转向和拖曳三个阶段，并基于PD反馈和LQR（Linear Quadratic Regulator）等控制方法，针对各个阶段依次开展了控制律设计与仿真的研究。在系统设计、仿真分析的基础上，提出了空间绳网系统地面原理试验和空中投放试验的总体技术方案，制作样机并成功进行试验，结果与仿真结果吻合。