基于動量交換原理的連續(xù)地月載荷轉(zhuǎn)移系統(tǒng)動力學(xué)研究.pdf

1、開發(fā)月球、建立月球基地，并以月球為跳板開發(fā)火星等更遠(yuǎn)的天體成為目前及未來深空探測的主要目標(biāo)。在地月載荷轉(zhuǎn)移期間，以火箭為發(fā)射工具的傳統(tǒng)運輸方式成本高、不可重復(fù)使用而受到制約，尋求一種低成本、可重復(fù)使用、能進行載荷的連續(xù)轉(zhuǎn)移的運輸方式十分必要。基于動量交換原理的繩系式連續(xù)地月載荷轉(zhuǎn)移系統(tǒng)(Continuous Cislunar Payload Transfer System,CCPTS)具有可重復(fù)使用、消耗能量小、能實現(xiàn)地月之間載荷連續(xù)轉(zhuǎn)

2、移等優(yōu)點，具有一定的研究價值。本文在前人的研究基礎(chǔ)上，對CCPTS的動力學(xué)、基于錐形繩的動力學(xué)以及CCPTS的改進型的動力學(xué)進行了深入研究，并對載荷的入軌速度需求、入軌精度以及CCPTS的能量等進行了理論分析，主要開展了如下研究工作：
　　不考慮結(jié)構(gòu)偏差的CCPTS動力學(xué)及能量分析。首先，在系繩為剛性桿的假設(shè)下對CCPTS的動力學(xué)進行了仿真分析；對載荷實現(xiàn)地月轉(zhuǎn)移進行了速度需求分析，得到了滿足載荷順利入軌的兩個必要條件(角速度條件

3、和時間周期條件)；對基于CCPTS和傳統(tǒng)火箭的霍曼轉(zhuǎn)移的地月載荷轉(zhuǎn)移方式進行了能量對比分析。分析結(jié)果表明，無論傳統(tǒng)火箭是采用單脈沖還是雙脈沖方式，無論初始停泊軌道是圓軌道還是橢圓軌道，對于轉(zhuǎn)移相同的載荷，CCPTS所需要的能量均低于傳統(tǒng)火箭所需要的能量；此外，對系繩為柔性繩時的CCPTS二維、三維柔性動力學(xué)進行了仿真分析，結(jié)果表明，系繩旋轉(zhuǎn)角速度大小以及系繩長度的不同對系繩橫向、縱向以及側(cè)向振動量均有不同程度的影響。
　　考慮結(jié)構(gòu)

4、偏差的CCPTS動力學(xué)分析。CCPTS作為大尺寸航天器，操作的失誤、客觀的因素等都可能產(chǎn)生結(jié)構(gòu)偏差。首先，對考慮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)偏差的CCPTS姿態(tài)-軌道進行了耦合分析，并對系繩長度存在偏差以及載荷質(zhì)量存在偏差的情況下的CCPTS動力學(xué)特性進行的仿真分析，仿真結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)偏差的存在改變了CCPTS系統(tǒng)質(zhì)心的位置，對母星質(zhì)心軌道以及系繩姿態(tài)運動均產(chǎn)生了一定程度的影響；此外，對結(jié)構(gòu)偏差存在的情況下，通過分析結(jié)構(gòu)偏差對母星停泊軌道參數(shù)的影響間接分析

5、了載荷的入軌精度；結(jié)合四元數(shù)，建立了基于開普勒-四元數(shù)的CCPTS結(jié)構(gòu)偏差動力學(xué)模型，并進行了仿真分析，仿真結(jié)果驗證了該方法的有效性。
　　改進構(gòu)型的CCPTS動力學(xué)建模與分析。錐形繩作為一種能夠合理分配系繩內(nèi)應(yīng)力與質(zhì)量的系繩，對于減輕CCPTS總質(zhì)量并降低系統(tǒng)能量消耗至關(guān)重要。首先，通過引入誤差函數(shù)，推導(dǎo)了錐形繩的質(zhì)量；建立了基于錐形繩的CCPTS(Tapered-Tether-CCPTS簡稱為T-CCPTS)動力學(xué)模型；其次，

6、對不同系繩構(gòu)型以及不同系繩材料屬性對CCPTS動力學(xué)的影響進行了仿真分析；最后，通過建立T-CCPTS能量方程，并進行了能量對比分析。分析結(jié)果表明，T-CCPTS的總能量小于基于等截面繩的CCPTS(Uniform-Tether-CCPTS，簡稱為U-CCPTS)的總能量，且T-CCPTS的穩(wěn)定性優(yōu)于U-CCPTS的穩(wěn)定性。此外，為了提高CCPTS的安全性以及載荷轉(zhuǎn)移效率，提出了一種“摩天輪”式的改進構(gòu)型連續(xù)地月轉(zhuǎn)移系統(tǒng)(HEX-CCP