太陽帆航天器動力學(xué)與控制研究.pdf

1、航天科技的發(fā)展大大推進(jìn)了人類對太空的探索。我國的載人航天工程已逐步邁入空間站階段，深空探測業(yè)已實(shí)現(xiàn)了月球探測的“繞、落、回”，火星探測更是在穩(wěn)步推進(jìn)中。隨著深空探測距離的拓展，燃料成為制約傳統(tǒng)化學(xué)推進(jìn)航天器發(fā)展的關(guān)鍵因素。于是，國內(nèi)外學(xué)者們先后研究了電推進(jìn)、核推進(jìn)、激光推進(jìn)、太陽帆推進(jìn)、微推進(jìn)等新的推進(jìn)技術(shù)。其中，太陽帆推進(jìn)航天器（以下統(tǒng)稱為太陽帆）的工作原理是通過大尺寸高反射薄膜帆面反射太陽光從而獲得持續(xù)的前進(jìn)推力。它的優(yōu)點(diǎn)在于無需燃

2、料、能獲得持續(xù)小推力和有效載荷比高，因此在深空探測領(lǐng)域有著很廣的應(yīng)用前景。2010年，日本IKAROS號太陽帆成功發(fā)射并首次加速飛掠金星，進(jìn)一步推動了太陽帆的工程應(yīng)用。針對我國太陽帆的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用需求的分析可知，太陽帆動力學(xué)與控制是深空應(yīng)用的理論基礎(chǔ)，具有重要的研究價(jià)值。
　　太陽帆不同于傳統(tǒng)航天器，其大尺寸薄膜帆面使得太陽帆具有典型的柔性特征，在軌振動模態(tài)明顯。其姿態(tài)動力學(xué)模型的剛?cè)狁詈?、非線性特征使得姿態(tài)控制難度較大。已有的

3、姿態(tài)動力學(xué)研究多是基于假設(shè)其為剛性模型展開的，未考慮太陽帆的柔性特征。本文基于太陽帆剛?cè)狁詈献藨B(tài)動力學(xué)模型，設(shè)計(jì)了姿態(tài)魯棒α-穩(wěn)定控制器和抗飽和補(bǔ)償器，實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)姿態(tài)角的鎮(zhèn)定，抑制了柔性結(jié)構(gòu)的振動，同時(shí)滿足了輸出的飽和約束。
　　近些年，平動點(diǎn)軌道研究和應(yīng)用方興未艾。連續(xù)小推力航天器（如太陽帆、太陽電推進(jìn)）平動點(diǎn)軌道動力學(xué)具有強(qiáng)耦合、非線性特征，加之深空環(huán)境的復(fù)雜性，對控制器的魯棒性、可靠性以及抗干擾能力提出較高要求。已有的研究表

4、明，基于脈沖控制很難實(shí)現(xiàn)高精度、長時(shí)間的平動點(diǎn)軌道保持與編隊(duì)飛行。本文研究了太陽電推進(jìn)連續(xù)小推力航天器平動點(diǎn)軌道動力學(xué)，設(shè)計(jì)了平動點(diǎn)軌道自抗擾保持與自抗擾編隊(duì)飛行控制器，基于系統(tǒng)輸入輸出而非模型設(shè)計(jì)的自抗擾軌道保持和編隊(duì)飛行控制器實(shí)現(xiàn)了動力學(xué)模型和擾動完全未知下的高精度平動點(diǎn)軌道保持和編隊(duì)飛行控制。
　　不同于太陽電推進(jìn)的平動點(diǎn)軌道控制，太陽帆由于僅能通過調(diào)整帆面兩姿態(tài)角和帆面反射率間接實(shí)現(xiàn)光壓力三軸分量的控制，具有顯著的非仿射姿

5、軌耦合特征，非線性、強(qiáng)耦合特點(diǎn)也更加顯著，軌道控制器設(shè)計(jì)難度更大。本文研究了太陽帆人工平動點(diǎn)軌道動力學(xué)，提出了太陽帆人工平動點(diǎn)軌道自抗擾保持控制器。該方法利用系統(tǒng)輸入輸出而非模型通過調(diào)節(jié)兩姿態(tài)角輸入和帆面反射率實(shí)現(xiàn)了較大初始入軌誤差、擾動及動力學(xué)模型完全未知情況下的高精度人工平動點(diǎn)軌道保持控制，從本質(zhì)上解決了現(xiàn)有軌控方法的魯棒性差、抗干擾能力弱的問題。
　　然而，由于太陽帆光壓力與太陽帆姿態(tài)間存在著強(qiáng)約束關(guān)系，太陽帆無法獲得太陽光

6、入射反方向的光壓力，同時(shí)天體遮蔽情況下也無法獲得光壓加速度。因此，太陽帆執(zhí)行更加復(fù)雜的空間應(yīng)用時(shí)面臨著挑戰(zhàn)。如利用太陽帆執(zhí)行我國嫦娥四號地月L2點(diǎn)中繼通信衛(wèi)星任務(wù)，進(jìn)入月掩時(shí)無法獲得光壓力，軌道失控的風(fēng)險(xiǎn)較大?；旌咸柗七M(jìn)（以下簡稱為混合帆）是融合了太陽帆和太陽電推進(jìn)，并兼具二者優(yōu)點(diǎn)的新型推進(jìn)方式。本文研究了混合帆人工平動點(diǎn)軌道保持與編隊(duì)飛行控制，提出了混合太陽帆人工平動點(diǎn)軌道自抗擾保持與編隊(duì)飛行控制器，解決了已有控制器對軌控模型精度