空間繩系研究綜述

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1、第27卷第6期航天器環(huán)境工程2010年12月SPACECRAFTENvIRoNMENTENG『NEERrNG775空間繩系研究綜述孔憲仁，徐大富(哈爾濱工業(yè)大學(xué)衛(wèi)星技術(shù)研究所，哈爾濱150001)摘要：空間繩系根據(jù)原理主要分為兩類：動(dòng)量交換繩系和電動(dòng)力繩系。文章詳細(xì)介紹了兩者的基本原理、動(dòng)力學(xué)模型和控制策略，描述了空間繩系技術(shù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的研究情況以及繩系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和生存能力問(wèn)題，對(duì)空間繩系的研究熱點(diǎn)以及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)，同時(shí)列舉了大量關(guān)于空間繩系技術(shù)的參考文獻(xiàn)。研究表明：動(dòng)量交換繩系和電動(dòng)力繩系都可以實(shí)

2、現(xiàn)無(wú)推進(jìn)劑推進(jìn)，提供各種離軌和再入功能，具有廣闊的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：空間繩系；動(dòng)量交換繩系：電動(dòng)力繩系；動(dòng)力學(xué)模型中圖分類號(hào)：V412．4；V417+．9文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1673-1379(2010)06-0775-09DoI：10．3969／j．issn．1673-1379．2010．06．0250引言空間繩系是指用柔性系繩將兩個(gè)或者兩個(gè)以上的航天器連接在一起所構(gòu)成的空間飛行系統(tǒng)，其中最具代表性的是將一顆衛(wèi)星(子星)通過(guò)柔性系繩連接到另一顆質(zhì)量較大的飛行器(基星)上，構(gòu)成基星一系繩一子星空間

3、組合體，基星可以是衛(wèi)星、飛船、航天飛機(jī)、空間站等多種空問(wèn)飛行器，甚至可以是廢棄的運(yùn)載火箭上面級(jí)。該系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景，如人工重力、繩系交會(huì)、太空發(fā)電、深空探測(cè)、行星際航行、航天器軌道保持與升降以及大氣層的研究，等等?？臻g繩系具有很長(zhǎng)的長(zhǎng)度，可以通過(guò)釋放或者回收系繩的長(zhǎng)度來(lái)改變整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)型和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)?？臻g繩系還具有柔性大、阻尼小、非線性強(qiáng)等特點(diǎn)。動(dòng)力學(xué)與控制是空間繩系研究的兩個(gè)重要內(nèi)容，建立精確的繩系動(dòng)力學(xué)模型并選擇合適的控制策略是研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。1空間繩系研究的發(fā)展最早的空間繩系概念可以追溯到

4、俄羅斯航天之父齊奧爾科夫斯基1895年提出的“赤道通天塔”設(shè)想，利用繩系建立地球通往太空的通道【l】。在近幾十年里，美國(guó)、意大利、俄羅斯、歐空局都進(jìn)行過(guò)空間繩系方面的研究與實(shí)驗(yàn)，發(fā)表了大量關(guān)于空間繩系的科技文獻(xiàn)。Bekey[2]介紹了動(dòng)量交換繩系和電動(dòng)力繩系的基本原理，同時(shí)討論了繩系的潛在用途，比如低溫推進(jìn)劑的貯藏和轉(zhuǎn)移、繩系星座、運(yùn)用繩系做功進(jìn)行軌道的升降、利用繩系從近地軌道轉(zhuǎn)移到高軌道，等等。Ca∞lIl3J強(qiáng)調(diào)了繩系在空氣動(dòng)力學(xué)方面的應(yīng)用，如利用繩系拖曳氣球給空天飛機(jī)降速。Beletsky和Le

5、vin的專著【4】詳細(xì)介紹了繩系動(dòng)力學(xué)，列舉了空間繩系潛在的用途，給出了在特定的空間環(huán)境下帶末端質(zhì)量的柔性繩索的運(yùn)動(dòng)方程，研究了繩系運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性問(wèn)題。文獻(xiàn)【5．6】提出了利用繩系進(jìn)行有效載荷轉(zhuǎn)移的概念，給出了圓軌道上繩系的運(yùn)動(dòng)方程。白Moravec【7】提出月球升降機(jī)的概念后，F(xiàn)orward[8】對(duì)此又作了深入的研究，并于1999年和和Hovt在ScientificAmerican上撰文H提出在地月有效載荷轉(zhuǎn)移系統(tǒng)中使用繩系以提高速度；此外Cartmell等人‘10,11-13,J41也作過(guò)相關(guān)研究。

6、繩系還被考慮運(yùn)用到太陽(yáng)帆結(jié)構(gòu)中去，甚至可以利用繩系建立復(fù)雜的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，詳見(jiàn)文獻(xiàn)[15，16]。2001年美國(guó)航天局(NASA)馬歇爾空間飛行中心(MSFC)的Sorensenll7】提出同時(shí)使用電動(dòng)力繩系和動(dòng)量交換繩系(MxER)進(jìn)行軌道轉(zhuǎn)移，繩系在橢圓軌道上飛行，在近地軌道上捕獲有效載荷，并轉(zhuǎn)移到更高軌道。在轉(zhuǎn)移到下一軌道的前幾收稿日期：2009．12．28；修回日期：2010．09．17基金項(xiàng)目：長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(IRT0520)作者簡(jiǎn)介：孔憲仁(196l一)，男，教授，博士

7、生導(dǎo)師，主要研究衛(wèi)星結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)等。通信作者：徐大富(1982一)，男，博士研究生，主要研究方向?yàn)殡妱?dòng)力繩系衛(wèi)星離軌技術(shù)。E—mail：xudafu268@163．com。776航天器環(huán)境工程第27卷周時(shí)間里可以利用電動(dòng)力進(jìn)行繩系再推進(jìn)，且小需要推進(jìn)劑，對(duì)于高性能的軌道轉(zhuǎn)移推進(jìn)具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。Rauwolf11剮對(duì)2018年火星計(jì)劃中的空間推進(jìn)技術(shù)進(jìn)行了研究，認(rèn)為以繩系為基礎(chǔ)的計(jì)劃很有潛力，但是技術(shù)的不成熟和操作上的復(fù)雜性將會(huì)對(duì)2018年的應(yīng)用產(chǎn)生不利影響。2003年MSFC的最終報(bào)告[19

8、1表明生存能力和飛行驗(yàn)證非常重要，必要的理論和技術(shù)還需要在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)一步完善。2006年，Bonometiil20]證實(shí)MXER項(xiàng)目還在美國(guó)航天局的空間推進(jìn)技術(shù)項(xiàng)目中(也可參閱文獻(xiàn)f21，221)。VanderHeide和Kruij甜口J在2001年提出了利用繩系進(jìn)行離軌進(jìn)而緩解空問(wèn)碎片的問(wèn)題，討論了繩系之間碰撞的潛在可能，建議每年只進(jìn)行40個(gè)星座的離軌任務(wù)，且同一時(shí)刻空間只有4個(gè)繩系進(jìn)行離軌任務(wù)，這樣可以有效地避免繩系之間的碰撞。繩系生存能力的進(jìn)一步研究