CN107908105A - 一种基于推力器开关控制的绳系组合体拖曳移除方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于推力器开关控制的绳系组合体拖曳移除方法，包括：步骤1，飞行器捕获目标形成稳定绳系组合体调整为水平构型后，相对目标悬停且保持系绳张紧；步骤2，飞行器沿系绳方向推力器工作，系绳收放装置释放系绳；步骤3，当系绳释放速度大于设定速度时，推力器关机，飞行器开始加速靠近目标，系绳收放装置回收系绳；步骤4，当系绳回收速度大于设定速度时，推力器开机，飞行器开始加速远离目标，系绳收放装置释放系绳；步骤5，重复步骤3和步骤4，直至绳系组合体变轨至目标轨道；步骤6，调整组合体为垂直构型后，释放目标，完成拖曳移除任务。本发明为基于系绳连接的抓捕载荷实现对废弃卫星的拖曳移除提供了有利条件。

Description

一种基于推力器开关控制的绳系组合体拖曳移除方法
技术领域
本发明涉及绳系组合体拖曳移除技术领域，尤其是涉及一种基于推力器开关控制的绳系组合体拖曳移除方法。
背景技术
空间中存在大量由于发生故障或离轨失败导致废弃的卫星，占用了宝贵的轨道资源，且长期留轨增加了与其他卫星碰撞的风险，威胁了正常卫星的安全运行。针对此可采用基于系绳连接的捕获载荷实现对废弃卫星的远距离捕获，并利用绳系组合体拖曳移除技术实现对废弃卫星的移除，对空间环境的可持续发展具有重要意义。
为避免绳系组合体拖曳变轨过程中系绳与目标及飞行器的缠绕，需保持系绳张紧。绳系组合体若采用传统两脉冲变轨方式，燃料消耗较少，但绳系组合体在自由滑行段维持系绳张紧是个难点，特别是针对高轨任务，难以利用重力梯度来保持系绳张紧；绳系组合体若采用连续推力变轨方式，解决了变轨过程的系绳张紧问题，但变轨燃料消耗较大。对于连续推力变轨，相同比冲情况下推力越小消耗燃料越小。目前我国成熟推力器型谱中，双组元推力器的最小推力10N，无小推力的双组元推力器，虽然存在推力0.5N或更小的冷气推力器，但与双组元推力器相比比冲太低。因此需要一种安全、可靠、低燃耗的绳系拖曳移除方式。目前没有发现与本发明类似相关技术的说明或报道，也尚未收集到国内类似的资料。
发明内容
为解决绳系组合体拖曳移除两脉冲变轨方式中自由滑行段系绳张紧及连续推力变轨方式中燃料消耗较大问题，本发明的目的在于提出一种基于推力器开关控制的绳系组合体拖曳移除方法。本发明利用双组元推力器工作提供绳系组合体变轨所需的速度增量；利用系绳收放装置实现系绳张紧和系绳收放，避免系绳与目标及飞行器的缠绕；基于系绳收放速度进行双组元推力器开关机控制，实现目标的安全可靠及低燃耗的拖曳移除。
为了达到上述发明目的，本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种基于推力器开关控制的绳系组合体拖曳移除方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，飞行器利用基于系绳连接的抓捕载荷捕获目标形成稳定的绳系组合体，并调整组合体为水平构型后，飞行器相对目标保持悬停，系绳保持张紧且收放速度为零。
步骤2，飞行器沿系绳方向的双组元推力器工作，系绳收放装置保持设定小张力工作。双组元推力器推力大于设定小张力，飞行器加速远离目标，系绳收放装置释放系绳。
步骤3，当系绳释放速度大于设定速度时，飞行器沿系绳方向的双组元推力器关机，系绳收放装置继续保持设定小张力工作。在系绳小张力作用下，飞行器减速远离目标，系绳收放装置继续释放系绳。待系绳释放速度为零时，飞行器开始加速靠近目标，系绳收放装置回收系绳。
步骤4，当系绳回收速度大于设定速度时，飞行器沿系绳方向的双组元推力器开机，系绳收放装置继续保持设定小张力工作。双组元推力器推力大于设定小张力，飞行器减速靠近目标，系绳收放装置继续回收系绳。待系绳回收速度为零时，飞行器开始加速远离目标，系绳收放装置释放系绳。
步骤5，重复步骤3和步骤4，直至绳系组合体变轨至目标轨道。
步骤6，待绳系组合体变轨至目标轨道，并调整组合体为垂直构型后，释放目标，完成拖曳移除任务。
较佳地，所述水平构型为绳系组合体系绳张紧方向沿轨道迹向所形成的组合体形态；所述垂直构型为绳系组合体系绳张紧方向沿轨道径向所形成的组合体形态。
较佳地，所述设定小张力F的取值依据移除目标所需的变轨张力Fn及系绳收放装置的最小输出张力 Fmin确定。被移除目标质量为mt、移除目标变轨所需最小速度增量为ΔVmin、被移除目标的轨道周期为Tt，则所需变轨张力Fn＝(mtΔVmin)/Tt；若Fn<Fmin则设定小张力F取值为Fmin，若Fn>Fmin则设定小张力F取值为Fn。
较佳地，所述设定速度V的取值应不小于系绳收放速度的测量精度Vmin，应不大于拖曳移除过程中允许系绳长度变化Δl所对应的系绳收放速度Vmax，且Vmax满足等式其中Fthrust为推力器工作产生的推力，F为拖曳变轨过程中系绳的设定小张力，ms为飞行器质量，mt为被移除目标质量。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明提出的基于推力器开关控制的绳系组合体拖曳移除方法，利用双组元推力器工作提供绳系组合体变轨所需的速度增量；利用系绳收放装置实现系绳张紧和系绳收放，避免系绳与目标及飞行器的缠绕；基于系绳收放速度进行双组元推力器的开关机控制，实现了目标的安全可靠及低燃耗的拖曳移除。提出的方法解决了绳系组合体拖曳移除两脉冲变轨方式中自由滑行段系绳张紧及连续推力变轨方式中燃料消耗较大问题，为利基于系绳连接的抓捕载荷实现对废弃卫星的拖曳移除提供了有利条件。
附图说明
以下将结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明绳系组合体拖曳移除方法流程图；
图2为本发明实施例中绳系组合体水平构型与垂直构型示意图；
图3(a)为本发明实施例中系绳收放速度变化规律示意图,(b)为系绳长度变化规律示意图；
图4(a)为本发明实施例中绳系组合体系绳长度仿真结果图；图4(b)为本发明实施例中绳系组合体面内摆角仿真结果图；图4(c)为本发明实施例中绳系组合体面外摆角仿真结果图；图4(d)为本发明实施例中绳系组合体系绳张力仿真结果图。
图5为本发明实施例中废弃卫星近地点高度仿真结果图。
具体实施方式
以下通过较佳实施例对本发明的技术方案进行说明，但下述实施例并不能限制本发明的保护范围。
本发明提供一种基于推力器开关控制的绳系组合体拖曳移除方法，包括如下步骤：
步骤1，飞行器利用基于系绳连接的抓捕载荷捕获目标形成稳定的绳系组合体，并调整组合体为水平构型后，飞行器相对目标保持悬停，系绳保持张紧且收放速度为零。
如图2所示，绳系组合体包括飞行器1、目标3，连接飞行器1和目标3的绳系。水平构型指绳系组合体系绳张紧方向沿轨道迹向所形成的绳系组合体形态，飞行器相对目标悬停距离一般为25～35m。
步骤2，飞行器沿系绳方向的双组元推力器工作，系绳收放装置保持设定小张力工作。双组元推力器推力大于设定小张力，飞行器加速远离目标，系绳收放装置释放系绳。
飞行器选择10N或25N推力的双组元推力器，拖曳过程中成对开关机，对飞行器产生的推力为20N 或50N。
设定小张力F的取值依据移除目标所需的变轨张力Fn及系绳收放装置的最小输出张力Fmin确定。被移除目标质量为mt、移除目标变轨所需最小速度增量为ΔVmin、被移除目标的轨道周期为Tt，则所需变轨张力Fn＝(mtΔVmin)/Tt；若Fn<Fmin则设定小张力F取值为Fmin，若Fn>Fmin则设定小张力F取值为 Fn。
步骤3，当系绳释放速度大于设定速度时，飞行器沿系绳方向的双组元推力器关机，系绳收放装置继续保持设定小张力工作。在系绳小张力作用下，飞行器减速远离目标，系绳收放装置继续释放系绳。待系绳释放速度为零时，飞行器开始加速靠近目标，系绳收放装置回收系绳。
设定速度V的取值应不小于系绳收放速度的测量精度Vmin，应不大于拖曳移除过程中允许系绳长度变化Δl所对应的系绳收放速度Vmax，且Vmax满足等式其中Fthrust为推力器工作产生的推力，F为拖曳变轨过程中系绳的设定小张力，ms为飞行器质量，mt为被移除目标质量。
步骤4，当系绳回收速度大于设定速度时，飞行器沿系绳方向的双组元推力器开机，系绳收放装置继续保持设定小张力工作。双组元推力器推力大于设定小张力，飞行器减速靠近目标，系绳收放装置继续回收系绳。待系绳回收速度为零时，飞行器开始加速远离目标，系绳收放装置释放系绳。
步骤5，重复步骤3和步骤4，直至绳系组合体变轨至目标轨道。
绳系组合体拖曳变轨过程中，系绳收放速度及系绳长度周期变化，变化规律如图3所示。
步骤6，待绳系组合体变轨至目标轨道，并调整组合体为垂直构型后，释放目标，完成拖曳移除任务。
绳系组合体的垂直构型指绳系组合体系绳张紧方向沿轨道径向所形成的绳系组合体形态，如图2所示。
下面给出一组仿真算例，以验证基于推力器开关控制的绳系组合体拖曳移除方法。飞行器利用基于系绳连接的抓捕载荷捕获某GEO轨道废弃卫星后，利用拖曳移除技术抬高其近地轨道高度350km，将废弃卫星转移坟墓轨道。飞行器配置25N双组元推力器，系绳收放装置设定小张力1N，系绳收放设计速度 0.1m/s。结果图见图4及图5。
上述仅为本发明的具体实施例，该实施例只为更清楚的说明本发明所用，而并非对本发明的限定，任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于推力器开关控制的绳系组合体拖曳移除方法，其特征在于，包括：
步骤1，飞行器与抓捕载荷基于系绳连接，抓捕载荷捕获目标，形成稳定的绳系组合体，调整绳系组合体为水平构型后，飞行器相对目标保持悬停，系绳保持张紧且收放速度为零；
步骤2，飞行器沿系绳方向的双组元推力器工作，系绳收放装置保持设定小张力工作；双组元推力器推力大于设定小张力，飞行器加速远离目标，系绳收放装置释放系绳；
步骤3，当系绳释放速度大于设定速度时，飞行器沿系绳方向的双组元推力器关机，系绳收放装置继续保持设定小张力工作；在系绳小张力作用下，飞行器减速远离目标，系绳收放装置继续释放系绳；待系绳释放速度为零时，飞行器开始加速靠近目标，系绳收放装置回收系绳；
步骤4，当系绳回收速度大于设定速度时，飞行器沿系绳方向的双组元推力器开机，系绳收放装置继续保持设定小张力工作；双组元推力器推力大于设定小张力，飞行器减速靠近目标，系绳收放装置继续回收系绳；待系绳回收速度为零时，飞行器开始加速远离目标，系绳收放装置释放系绳；
步骤5，重复步骤3和步骤4，直至绳系组合体变轨至目标轨道；
步骤6，调整组合体为垂直构型后，释放目标，完成拖曳移除任务。
2.如权利要求1所述的一种基于推力器开关控制的绳系组合体拖曳移除方法，其特征在于，所述水平构型为绳系组合体系绳张紧方向沿轨道迹向所形成的组合体形态；所述垂直构型为绳系组合体系绳张紧方向沿轨道径向所形成的组合体形态。
3.如权利要求1所述的一种基于推力器开关控制的绳系组合体拖曳移除方法，其特征在于，被移除目标质量为mt、移除目标变轨所需最小速度增量为ΔVmin、被移除目标的轨道周期为Tt，则所需变轨张力Fn＝(mtΔVmin)/Tt；若Fn<Fmin则设定小张力F取值为Fmin，若Fn>Fmin则设定小张力F取值为Fn。
4.如权利要求1所述的一种基于推力器开关控制的绳系组合体拖曳移除方法，其特征在于，所述设定速度V的取值不小于系绳收放速度的测量精度Vmin，不大于拖曳移除过程中允许系绳长度变化Δl所对应的系绳收放速度Vmax，且Vmax满足等式其中Fthrust为推力器工作产生的推力，F为拖曳变轨过程中系绳的设定小张力，ms为飞行器质量，mt为被移除目标质量。
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