太陽帆航天器動力學與控制研究.pdf

1、航天科技的發(fā)展大大推進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)已實現(xiàn)了月球探測的“繞、落、回”，火星探測更是在穩(wěn)步推進中。隨著深空探測距離的拓展，燃料成為制約傳統(tǒng)化學推進航天器發(fā)展的關(guān)鍵因素。于是，國內(nèi)外學者們先后研究了電推進、核推進、激光推進、太陽帆推進、微推進等新的推進技術(shù)。其中，太陽帆推進航天器（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)的前進推力。它的優(yōu)點在于無需燃

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，進一步推動了太陽帆的工程應用。針對我國太陽帆的研究現(xiàn)狀與應用需求的分析可知，太陽帆動力學與控制是深空應用的理論基礎，具有重要的研究價值。
　　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)動力學研究多是基于假設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)動力學模型，設計了姿態(tài)魯棒α-穩(wěn)定控制器和抗飽和補償器，實現(xiàn)了目標姿態(tài)角的鎮(zhèn)定，抑制了柔性結(jié)構(gòu)的振動，同時滿足了輸出的飽和約束。
　　近些年，平動點軌道研究和應用方興未艾。連續(xù)小推力航天器（如太陽帆、太陽電推進）平動點軌道動力學具有強耦合、非線性特征，加之深空環(huán)境的復雜性，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現(xiàn)高精度、長時間的平動點軌道保持與編隊飛行。本文研究了太陽電推進連續(xù)小推力航天器平動點軌道動力學，設計了平動點軌道自抗擾保持與自抗擾編隊飛行控制器，基于系統(tǒng)輸入輸出而非模型設計的自抗擾軌道保持和編隊飛行控制器實現(xiàn)了動力學模型和擾動完全未知下的高精度平動點軌道保持和編隊飛行控制。
　　不同于太陽電推進的平動點軌道控制，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、強耦合特點也更加顯著，軌道控制器設計難度更大。本文研究了太陽帆人工平動點軌道動力學，提出了太陽帆人工平動點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現(xiàn)了較大初始入軌誤差、擾動及動力學模型完全未知情況下的高精度人工平動點軌道保持控制，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)行更加復雜的空間應用時面臨著挑戰(zhàn)。如利用太陽帆執(zhí)行我國嫦娥四號地月L2點中繼通信衛(wèi)星任務，進入月掩時無法獲得光壓力，軌道失控的風險較大?；旌咸柗七M（以下簡稱為混合帆）是融合了太陽帆和太陽電推進，并兼具二者優(yōu)點的新型推進方式。本文研究了混合帆人工平動點軌道保持與編隊飛行控制，提出了混合太陽帆人工平動點軌道自抗擾保持與編隊飛行控制器，解決了已有控制器對軌控模型精度