电动太阳风帆展开过程动力学仿真

作     者：王宇 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：任辉

授予年度：2021年

学科分类：080703[工学-动力机械及工程] 082502[工学-航空宇航推进理论与工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：电动帆 变长度索梁单元 参考节点坐标法 展开机构 

摘      要：随着航天科技与工业的不断发展,深空探测逐渐成为航天领域专家学者研究的热点方向之一。电动太阳风帆(Electric Solar Wind Sail,E-sail)作为一种非常适合深空探测的推进方式吸引了很多学者的目光。近年来针对电动帆的研究层出不穷,但是对电动帆展开过程的研究却相对较少。本文以电动帆为研究对象,针对其展开过程的建模及仿真进行研究,主要的工作内容包括:首先,提出一种基于参考节点坐标法的变长度索梁单元模型。本文从参考节点坐标法出发,利用索梁单元节点在参考坐标系中的位置与节点斜率对单元的几何构型进行描述。由于变长度单元不符合质量守恒定律,所以基于达朗贝尔原理对单元动力学方程进行推导。由于未对索梁单元进行小变形假设,所以这种单元适合对含有大变形,大位移,大转动的柔性索梁多体系统进行建模。本文通过一些算例对单元的可靠性进行验证。结果表明,此单元可以正确的表现出绳索的变长度特性。其次,针对电动帆的展开过程设计一种自旋稳定的控制方案。由于在电动帆的展开过程中,金属导线的索端张力对其稳定性的影响比较大。当金属导线处于松弛状态时,电动帆很容易失稳。所以基于使金属导线任意时刻均处于绷紧状态的原则,对电动帆的自旋展开控制方案进行设计。此控制方案以基于卡尔曼滤波器的PID控制算法为基础,以电动帆导线末端的张力为反馈信号,以电动帆导线的释放速度和远端喷气装置开关为输出,使得金属导线内部张力处于给定范围内,从而达到维持系统稳定性的目的。最后,基于前文的电动帆展开控制方案对其展开过程进行动力学仿真。通过前文介绍的基于参考节点坐标法的变长度索梁单元模型建立电动帆的多体系统动力学模型。结合设计的电动帆展开过程控制方案,对电动帆的展开过程进行仿真。针对仿真结果分析基于此控制方案的电动帆展开过程动力学特性,从而验证此设计方案的可靠性。从仿真结果可以看出,利用此控制方案可以达到电动帆自旋稳定展开的目的。