太阳帆-绳系航天器构建天基日食的姿轨动力学及状态保持控制研究
批准号:
12102441
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
王亚敏
依托单位:
学科分类:
飞行器和载运系统动力学
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
王亚敏
中文摘要
日冕是太阳的上层大气,是太阳风起源和太阳风暴发生的关键区域,日冕观测是监视太阳爆发的重要途径。日冕仪受杂散光影响、尺寸限制,图像质量无法与日全食期间拍摄图像相媲美,且难以获得低层和高层日冕。日食是日冕光学观测的最有利环境,然而地球上日食观测机会有限,若能在宇宙空间构建飞行轨道,使得航天器长期处于日食环境,将能极大的促进日冕精细观测、太阳风起源研究。.地球本影末端点是天然的天基日食观测点。然而,受限于太阳能源获取、日-地引力不平衡,航天器难以长期在此停留。本项目提出太阳帆-绳系航天器概念,利用太阳帆航天器在地球半影区获取电能及太阳光压力,通过系绳将电能传输至本影末端点的日冕观测航天器,并由系绳张力来平衡观测航天器的引力不平衡。针对此概念,开展太阳帆-系绳航天器这一新构型的动力学建模、观测构型的平衡点求解、平衡点稳定性及状态保持控制研究,为将来的航天器系统工程提供技术储备。
英文摘要
The corona is the upper atmosphere of the sun, which is the key area for the research of origin of solar wind and the solar storms. Due to the influence of stray light and limitation of corona-meter size, the image resolution is far lower than that taken during total solar eclipse. What's more, it is difficult to obtain the low and high corona. Solar eclipse is the most favorable environment for optical observation of the corona. However, the opportunity for solar eclipse observation on earth is rare. If we can construct a spacecraft trajectory in space and keep it in the eclipse environment for a long time, it will greatly promote the fine observation of the corona and the study of the origin of solar wind..The terminal point of the earth's umbra is a natural space-based solar eclipse observation point. However, due to the limitation of solar energy acquisition and the imbalance of sun-Earth gravity, it is difficult for spacecraft to stay here long. The concept of solar sail-tethered spacecraft is proposed in this project. The solar sail spacecraft is used to obtain electric energy and solar light pressure in the penumbra region, and the electric energy is transmitted to the coronal observation spacecraft at the end of the umbra through the tether, and the gravitational imbalance of the observation spacecraft is balanced by the tether tension. Based on this concept, the dynamic modeling of solar sail-tethered spacecraft, the equilibrium point of the observation configuration, the stability of the equilibrium point and the state-keeping control are carried out to provide technical support for the future development of spacecraft system engineering.
日冕观测是监视太阳爆发、研究太阳风起源的重要途径。日食是日冕光学观测的最有利环境,然而地球上日食观测机会有限,且持续时间仅数分钟。地球本影末端点是天然的日全食观测位置,该点位于日-地连线,距离日-地拉格朗日点L2点约14万km。受限于太阳能源缺失、日-地引力不平衡等因素,航天器无法长期在此位置停留。该项目首次提出了“太阳帆-绳系”航天器系统长期日冕观测的原创思路。拟在地球半影区部署太阳帆航天器,获取太阳能源、太阳光压力。在地球本影末端点部署日冕观测航天器,通过系绳与太阳帆航天器相连。系绳传输电能,并通过张力补偿日-地引力不平衡。针对“太阳帆-绳系”这一新构型的动力学与控制问题,本项目从日-地三体引力场、半影光照、绳帆航天器姿轨耦合建模、平衡解构建、稳定性、状态保持控制等方面开展研究。.在太阳帆-绳系航天器动力学建模方面,基于动量定理和动量矩定理,考虑地影区的光照条件方程,在归一化的日-地会合坐标系中建立了太阳帆-绳系航天器二维动力学模型。在人工平衡解及其附近周期轨道求解方面,对建立的动力学模型开展了分析,推导了在太阳光压影响下航天器系统在日-地L2点附近的平衡点位置,即人造L2点的位置,初步分析了地掩日食航天器需满足的条件和航天器参数的选取范围,给出了人造L2点附近周期轨道的数值计算方法和算例,并对轨道的稳定性进行了分析;给出了围绕平动点展开的线性化方程的通解。在航天器状态保持控制方面,在两种不同条件下,给出了以太阳帆角位置为控制量,采用非线性模型预测控制方法进行轨道保持控制,提出了具体技术流程,并根据仿真结果,对控制参数选取的规律进行了总结。该项目的研究同时支撑了中国空间科学先导专项“地掩天蚀”项目的卫星方案论证。
太阳帆-绳系航天器构建天基日食的姿轨动力学及状态保持控制研究
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批准号:--
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项目类别:--
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资助金额:30万元
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批准年份:2021
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负责人:王亚敏
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依托单位:
国内基金
海外基金