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一种用于清除空间碎片的绳系拖曳方法

一种用于清除空间碎片的绳系拖曳方法

IPC分类号 : B64G1/66,B64G4/00

申请号
CN201810860095.2
可选规格
  • 专利类型: 发明专利
  • 法律状态: 有权
  • 申请日: 2018-08-01
  • 公开号: 108820264B
  • 公开日: 2018-11-16
  • 主分类号: B64G1/66
  • 专利权人: 北京理工大学

专利摘要

本发明公开的一种用于清除空间碎片的绳系拖曳系统及方法,属航天技术领域。本发明公开一种用于清除空间碎片的绳系拖曳系统,包括拖船、系绳和系绳收放机构,被拖曳清除对象为空间碎片;系绳连接于拖船的一端为主绳,另一端分叉出多根子绳连接于空间碎片边缘,借助拖船产生推力,使空间碎片拖曳离轨,完成清除任务;采用多根子绳连接于空间碎片边缘能够增加系统的冗余度,提高绳系拖曳系统的可靠性;与空间碎片相连的多根子绳能产生对空间碎片的姿态偏差进行修正的力矩,抑制空间碎片的姿态运动,避免绳系拖曳系统失稳。本发明还公开一种用于清除空间碎片的绳系拖曳方法,用于所述一种用于清除空间碎片的绳系拖曳系统,能够实现清除空间碎片的目的。

权利要求

1.一种用于清除空间碎片的绳系拖曳方法,其特征在于:包括拖船、系绳和系绳收放机构,被拖曳清除对象为空间碎片;系绳连接于拖船的一端为主绳,另一端分叉出多根子绳连接于空间碎片边缘,借助拖船产生推力,使空间碎片拖曳离轨,完成清除任务;采用多根子绳连接于空间碎片边缘能够增加系统的冗余度,应对系绳断裂的突发情况,提高绳系拖曳系统的可靠性;与空间碎片相连的多根子绳能产生对空间碎片的姿态偏差进行修正的力矩,同时抑制空间碎片的姿态运动,避免绳系拖曳系统失稳;

根据空间碎片是否携带有柔性附件确定多根子绳连接于空间碎片的位置,当空间碎片携带有柔性附件时,为增强系绳的控制能力,多根子绳连接于空间碎片的柔性附件末端,使得系绳能提供更大的力矩,通过力矩稳定空间碎片的姿态运动并抑制柔性附件的振动;

为避免空间碎片旋转导致系绳缠绕,主绳与多根子绳的分叉点通过万向节结构连接;

用于所述的清除空间碎片的绳系拖曳系统,包括如下步骤,

步骤一:使用轨道控制策略使用于清除空间碎片的绳系拖曳系统与空间碎片主动交会,并将分叉出的多根子绳连接于空间碎片边缘;

步骤二:借助拖船推力及系绳收放机构对整个带有空间碎片的绳系拖曳系统的加速度、主绳及子绳的长度进行调控,从而使系统各项参数保持在平衡位置附近,避免系统剧烈的振荡引起系绳和柔性附件的断裂,保证整个带有空间碎片的绳系拖曳系统的稳定性和安全性;

步骤三:将前述步骤选取的推力、主绳和子绳的原长用于空间碎片清除任务中,启动拖船发动机施加推力,将空间碎片拖曳离轨,即通过绳系拖曳实现清除空间碎片;

步骤二具体实现方法为,

步骤2.1:建立整个带有空间碎片的绳系拖曳系统的三维动力学模型;

步骤2.2:求取带有空间碎片的绳系拖曳系统所受的广义外力;

步骤2.3:分析系统的平衡状态,求取整个带有空间碎片的绳系拖曳系统平衡状态下的各项参数;

步骤2.4:在平衡状态附近,根据泰勒公式对动力学方程(1)-(6)进行线性化,进一步分析平衡状态系统的稳定性;

步骤2.1具体实现方法为,将拖船看作刚体,空间碎片视为中心刚体携带N个柔性附件,N数目不限,系绳看作分段的弹簧阻尼系统,质量集中于分叉点;为描述整个带有空间碎片的绳系拖曳系统中各体的相对运动和在惯性空间中的绝对运动,首先定义如下坐标系:惯性坐标系fe(oexeyeze),原点位于地球质心,方向固定在惯性空间中;轨道坐标系fo(ooxoyozo),原点位于主绳和子绳的分叉点处,zo轴由原点指向地心,xo轴在轨道平面内与zo轴垂直并指向卫星速度方向,yo轴与xo,zo轴右手正交且与轨道平面的法线平行;拖船的本体坐标系fb1(ob1xb1yb1zb1),固定在其本体上,ob1为拖船的质心,三个坐标轴分别沿拖船的惯性轴方向;空间碎片的本体坐标系fb2(ob2xb2yb2zb2),固定在其本体上,ob2为柔性附件未变形时空间碎片的质心,三个坐标轴分别沿空间碎片的惯性轴方向;柔性附件k的本体坐标系fak(oakxakyakzak),固定在其本体上,oak为柔性附件与空间碎片本体系连接点的中心,yak为柔性附件长边方向,zak为横向,xak与yak和zak满足右手定则;

拖船的质量为mb1,空间碎片中心体的质量为mb2,柔性附件k的质量分别为mak;系绳分叉点B的质量为m3;系绳与拖船的连接点A在拖船本体系fb1的位置矢量为ρ4,系绳与空间碎片的连接点Bi在空间碎片的柔性附件k的本体坐标系下的位置矢量为若空间碎片不携带柔性附件,则系绳与空间碎片的连接点Bi的位置矢量表示在空间碎片本体系下;拖船的姿态角表示为是拖船本体系相对于轨道系fo的欧拉角,表示在拖船本体系fb1下;空间碎片中心体的姿态角表示为是空间碎片本体系相对于轨道系fo的欧拉角,表示在空间碎片本体系fb2下;

对携带有N个柔性附件的空间碎片的绳系拖曳系统,选取系统的广义坐标为:

其中,R1,R2和R3分别为oe到ob1,ob2和B的位置矢量在fe下的分量列阵,分别是拖船和空间碎片的本体系相对于惯性系的绝对转角在fb1和fb2下的分量列阵,qak为第k个柔性附件的前l阶模态坐标组成的l×1列阵,与时间有关,N是柔性附件的总个数;右上角标T表示矩阵的转置;选取广义坐标的时间导数作为广义速率,并设置广义速率列阵为:

则显然有,W4=ωb1,W5=ωb2其中,ωb1和ωb2分别为拖船和空间碎片中心体相对于惯性系的角速度矢量在fb1和fb2下的分量列阵;对带有空间碎片的绳系拖曳系统中各个质量点进行动力学及运动学分析,得到由广义坐标表示的整个带有空间碎片的绳系拖曳系统动力学方程(1)-(6):

其中,上标“~”表示向量的叉乘矩阵,Ae,b1和Ae,b2分别表示拖船本体系和空间碎片本体系到惯性系的转换矩阵,逆矩阵表示为Ab1,e和Ab2,e;Ae,ak表示第k个柔性附件的本体系到惯性系的转换矩阵,逆矩阵表示为Aak,e;Aak,b2表示空间碎片本体系到第k个柔性附件本体系的转换矩阵,逆矩阵为Ab2,ak;Kak和Cak分别为空间碎片上柔性附件k的模态刚度阵和模态阻尼阵;分别表示拖船,空间碎片和系绳分叉点B所受的广义外力的合力矩阵,表示在惯性系下;为拖船合外力对ob1的力矩列阵,表示在拖船本体系下;为空间碎片所受合外力对ob2的力矩列阵,表示在空间碎片本体系下;Qak为对应于广义坐标qak的广义外力,表示在柔性附件k的本体系下;其余各变量的具体表达形式如下:

S=∫rdm(7)

其中,A=1,2分别代表拖船和空间碎片中心体,r表示o到质量微元dm的位置矢量在f下的分量列阵;

Pak=∫akNakdmak(10)

Sak=∫ak(rak+uak)dmak=∫ak(rak+Nakqak)dmak(17)

Sbak=makrbak+Ab2,akSak(18)

其中,Nak为第k个柔性附件的前l阶模态在fak下的分量列阵组成的3×l阶矩阵,与柔性附件k上的质量微元dmak的位置有关,rbak为柔性附件k未变形时ob2到其安装位置oak的位置矢量在fb2下的分量列阵,rak为柔性附件k未变形时oak到其上的质量微元dmak的位置矢量在fak下的分量列阵,uak为微元dmak的弹性位移矢量在fak下的分量列阵;利用模态展开,弹性位移uak用前l阶模态及模态坐标近似表示为:

uak=Nakqak(21)。

2.如权利要求1所述的一种用于清除空间碎片的绳系拖曳方法,其特征在于:步骤2.2具体实现方法为,

拖船所受合外力在惯性系中的列阵表示为该合外力由拖船所受重力绳子的张力FlA,阻尼力FdA,和发动机推力Ft组成,即:

各力的具体表达形式如下:

其中,μ是地球引力常数,||·||表示向量的二范数,kA和cA分别表示系绳AB的刚度系数和黏性阻尼系数,lAB0表示系绳AB的未变形长度;根据带有空间碎片的绳系拖曳系统中存在的几何关系求取系绳lAB及其导数的矢量表示形式如下:

lAB=R3-R1-Ae,b1ρA(26)

其中,lAB的矢量方向为由A到B;

空间碎片所受合外力在惯性系中的列阵表示为该合外力由空间碎片中心体和柔性附件所受重力合力绳子的张力和阻尼力组成,即:

其中,i为子绳的编号,其最大值为I;各力的具体表达形式如下:

其中,j为柔性附件k上的质量微元编号,其最大值为J;分别表示系绳BBi的刚度系数和黏性阻尼系数,表示系绳BBi的未变形长度;根据系统中存在的几何关系求取系绳及其导数的矢量表示形式如下:

其中,的矢量方向为由B到Bi表示柔性附件k上的Bi点的模态矩阵;

节点B所受的合外力在惯性系中的列阵表示为即:

拖船所受的合外力矩在fb1中的列阵表示为该合外力矩由拖船所受重力梯度力矩和系绳提供的力矩MA组成,即:

各力矩的具体表达形式如下:

空间碎片所受合外力矩在fb2中的列阵表示为该合外力矩由空间碎片中心体和柔性附件所受重力梯度力矩及系绳提供的力矩组成,即:

各力矩的具体表达形式如下:

对应于广义坐标qak的广义外力在fak中的列阵表示为Qak,它由作用在柔性附件k上的分布力Qqak和系绳与柔性附件的连接点Bi处柔性附件所受广义外力组成,即:

其中,Ik表示连接在柔性附件k上的系绳总数;各力的具体表达形式如下:

将以上各广义外力带入方程(1)-(6)中,则获得整个带有空间碎片的绳系拖曳系统的完整动力学模型。

3.如权利要求2所述的一种用于清除空间碎片的绳系拖曳方法,其特征在于:步骤2.3具体实现方法为,

由于拖船和空间碎片的几何尺寸有限,且系统整体上运行于中高轨道,重力梯度力矩力矩对拖船和空间碎片姿态的影响相比于系绳张力引起的力矩是小量,因此在平衡状态分析阶段,忽略拖船、空间碎片所受重力梯度力矩对系统姿态造成的影响;此外,由于拖船推力很小,其在短时间内对系统轨道的改变量忽略不计,认为带有空间碎片的绳系拖曳系统仍处于原始轨道;

根据平衡状态的定义,将带入动力学方程(1)-(6)中,获得系统平衡状态方程(44)-(49);

由方程(47)可知,在拖船无主动姿态控制时,为保证拖船姿态平衡,主绳与拖船的连接点须位于拖船质心位置,即:

ρA=0(50)

联立方程(44)-(46)解得,整个带有空间碎片的绳系拖曳系统在推力Ft的作用下具有加速度

将方程(50)和(51)的数值带入方程(48)和(49)中,得到关于q

Q:办理专利转让的流程及所需资料

A:专利权人变更需要办理著录项目变更手续,有代理机构的,变更手续应当由代理机构办理。

1:专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2:按规定缴纳著录项目变更手续费。

3:同时提交相关证明文件原件。

4:专利权转移的,变更后的专利权人委托新专利代理机构的,应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A:(1)直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,(2)通过代办处缴纳,(3)通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q:专利转让变更,多久能出结果

A:著录项目变更请求书递交后,一般1-2个月左右就会收到通知,国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。

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