面向在軌服務的快速翻滾目標消旋細胞帆及其工作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及面向在軌服務的快速翻滾目標消旋細胞帆及其工作方法，屬于航天器在軌服務技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]對失控航天器進行維修、離軌處理等是在軌服務的核心工作之一。失控目標大都會出現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)，如果直接對其進行操作，會對服務航天器抓取或?qū)拥仍谲壊僮鲙砝щy，或?qū)ψト』驅(qū)訖C構(gòu)造成沖擊損害，甚至會造成服務航天器的失穩(wěn)。因此有必要在對失控航天器進行維修或離軌處理前，消除其快速翻滾的角動量。在2006年我國某型號資源衛(wèi)星由于陀螺停轉(zhuǎn)導致快速翻滾進而故障，開展的第一步搶救工作即是對整星進行消旋，姿態(tài)穩(wěn)定后恢復電源供應，確保了后續(xù)搶救工作的成功開展。多位學者也針對在軌服務航天器進行快速翻滾衛(wèi)星的動量消旋，分別提出了多種方案。
[0003]目前對姿態(tài)失控翻滾衛(wèi)星的這些消旋方案，大致可以分為兩類，其中一類是接觸式角動量消旋方案；另一類是非接觸式角動量消旋方案，又可分為直接型非接觸式和間接型非接觸式。
[0004]對于物理接觸式的消旋方案，Saburo Matunaga的團隊提出在機械臂的末端安裝阻尼小球，在服務衛(wèi)星靠近失控星后，選擇合適的接觸點去觸碰失控星，多次接觸后使失控衛(wèi)星角動量減少。然而，這種方案對于阻尼小球作用在失控星上的力的大小要求較精確的控制。若作用力過大，會由于沖擊而損壞失控星，甚至由于反作用力過大而影響服務衛(wèi)星的姿態(tài)穩(wěn)定。英國斯特拉斯克萊德大學的Albert Caubet和James D.Biggs提出一種利用磁力矩器對失控衛(wèi)星進行消旋的方案。首先，他們試圖利用一種“魚叉”裝置捕獲失控衛(wèi)星，然后把消旋模塊衛(wèi)星快速拉向失控衛(wèi)星，利用小鉆頭破壞失控衛(wèi)星表面從而實現(xiàn)附著，再進行磁力消旋。為了不破壞衛(wèi)星表面結(jié)構(gòu)，他們又提出利用小型噴氣裝置實現(xiàn)對失控衛(wèi)星的靠近，利用吸盤裝置進行附著，最后再實施磁力消旋。但是這種方案需要模塊衛(wèi)星上配備復雜的噴氣系統(tǒng)，會增大系統(tǒng)質(zhì)量以及增加控制規(guī)律的復雜性。
[0005]對于非物理接觸式的消旋方案，F(xiàn)umihito Sugai的團隊則提出利用禍流制動的方案，對失控衛(wèi)星實施非物理接觸的消旋。他們設(shè)想“獵人”衛(wèi)星伸出兩個通電線圈靠近失控衛(wèi)星在失控衛(wèi)星周圍產(chǎn)生磁場，失控衛(wèi)星在磁場中旋轉(zhuǎn)，表面產(chǎn)生渦流，從而消耗能量實現(xiàn)消旋。雖然非物理接觸的方法能避免機械臂抓捕失控衛(wèi)星時的撞擊危險，但是這種方案需要“獵人”衛(wèi)星一直與失控衛(wèi)星保持近距離伴飛，對控制精度要求高，而且消旋速度慢，會消耗“獵人”衛(wèi)星大量燃料。M.Merino等人提出了一種利用噴射離子束對失控衛(wèi)星進行消旋的方案，對失控衛(wèi)星進行消旋只是他們方案中一個附加的功能，他們方案主要是輔助失控星離軌。服務衛(wèi)星上裝有離子束發(fā)生器，可以在距離失控星較遠的位置對其噴射離子束，產(chǎn)生動量交換實現(xiàn)消旋。這種方案需要離子束發(fā)生器持續(xù)工作，對服務衛(wèi)星的負載功率提出了較高要求。另外，離子束打在失控星上產(chǎn)生的羽流可能會造成不確定的負面影響，離子束還會對失控星形成表面充電效應，有進一步損壞失控星的可能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)在的非接觸式消旋方案對失控衛(wèi)星本體造成的可能性二次損害，以及存在結(jié)構(gòu)復雜、消旋效率低和消旋成本低的問題，進而提供面向在軌服務的快速翻滾目標消旋細胞帆及其工作方法。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案是:面向在軌服務的快速翻滾目標消旋細胞帆及其工作方法消旋由母星和細胞帆協(xié)同完成，母星作為激光器的載體，是消旋力矩的能量源，同時作為控制指令的發(fā)送端，是細胞帆的控制中心，而細胞帆作為附著在失控衛(wèi)星上的角動量消旋裝置，是執(zhí)行消旋任務的具體執(zhí)行機構(gòu)。
[0008]所述工作方法包括以下步驟:
[0009]步驟一、細胞帆與母體服務衛(wèi)星分離；
[0010]步驟二、在母星發(fā)射的激光推進控制作用下，細胞帆接近失控翻滾目標；
[0011]步驟三、細胞帆與失控衛(wèi)星表面接觸，利用細胞帆上的仿生壁虎爪，產(chǎn)生附著力對失控衛(wèi)星表面進行吸附；
[0012]步驟四、基于細胞帆對目標進行角動量消旋；
[0013]步驟五、細胞帆通過陀螺儀測量失控衛(wèi)星的角速度，當角速度小于預先設(shè)定的10 3rad/s的閾值時，細胞帆通過通信系統(tǒng)向母星發(fā)送指令，母星停止工作；
[0014]步驟六、細胞帆與失控星分離，等待母星回收。
[0015]所述步驟二中采用激光推進控制，其具體原理為:細胞帆帆面采用光子石墨烯材料，基于光子石墨烯在光照射下向外發(fā)射電子的原理，母星通過發(fā)射激光，并對準細胞帆上的石墨烯光帆結(jié)構(gòu)，光子石墨烯材料在激光照射下吸收能量向外噴射電子，產(chǎn)生反作用推力，推力大小是通過改變激光的強度或者改變光帆受照射的面積來控制，推力的方向則是通過改變光帆面的位置來控制。
[0016]所述步驟二中所述細胞帆接近失控翻滾目標，其具體步驟為:首先:母體通過裝在自身的視覺測量系統(tǒng)測量細胞帆與目標衛(wèi)星之間的相對距離，同時接受細胞帆發(fā)送的角速度信息；其次:母星根據(jù)視覺測量系統(tǒng)測量到的信息，利用星載計算機中的預設(shè)程序計算出細胞帆的飛行控制指令，用以確定細胞帆的飛行姿態(tài)以及進行軌跡規(guī)劃；最后:細胞帆接收母星的控制指令，利用細胞帆上的兩自由度云臺使石墨烯光帆改變指向，產(chǎn)生力矩使得細胞帆進行姿態(tài)機動。
[0017]所述步驟三中細胞帆采用仿真壁虎爪對失控衛(wèi)星進行吸附，吸附過程為:仿生壁虎爪是采用由納米管陣列組成，通過納米級的剛毛與目標衛(wèi)星表面分子之間產(chǎn)生范德瓦爾斯力，仿生壁虎爪積累產(chǎn)生最大36N/cm2的粘附力，形成剛性連接，使得細胞帆附著在失控翻滾衛(wèi)星非自旋軸剛性表面上。
[0018]所述步驟四中所述的基于細胞帆對目標進行消旋，其具體步驟為:首先:細胞帆附著在目標衛(wèi)星上之后，通過細胞帆上的三軸陀螺儀測得系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)角速度矢量方向，并把角速度矢量信息反饋給母星；其次:母星通過視覺系統(tǒng)測量獲得細胞帆附著點位置信息，并結(jié)合細胞帆反饋的角速度矢量信息，通過星載計算機計算得到細胞帆帆面合適的指向位置；再次:母星發(fā)送細胞帆帆面位置指令，細胞帆接收并執(zhí)行，通過兩自由度云臺作用把帆面位置調(diào)到該位置；最后:母星通過視覺系統(tǒng)觀察失控衛(wèi)星和細胞帆組成系統(tǒng)的狀態(tài)，當細胞帆的帆面隨失控衛(wèi)星轉(zhuǎn)到對著母星的一面時，母星調(diào)整激光器對細胞帆帆面發(fā)射激光產(chǎn)生消旋力矩。
[0019]所述步驟六中所述的細胞帆與失控星分離，等待母星回收，其具體步驟為:首先:細胞帆通過電壓信號控制細胞帆尾部仿生壁虎爪上的IPMC人工肌肉；其次:人工肌肉結(jié)構(gòu)帶動仿生壁虎爪上的碳納米管陣列，使細胞帆脫離失控衛(wèi)星；再次:母星靠近失效衛(wèi)星，通過機械臂抓取細胞帆；最后:母星抓取細胞帆后，將其置于原存放位置，等待下一次任務。
[0020]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下效果:
[0021]—、本發(fā)明改善了現(xiàn)有消旋方案的復雜度以及可能對失控星帶來的二次損害。首先，依靠細胞帆上仿生壁虎爪的碳納米管陣列對失控星進行吸附，相對于鉆孔固定、網(wǎng)捕等其他吸附方式，能有效避免對失控衛(wèi)星表面造成的損壞；其次，消旋過程中母星的激光照射在石墨烯帆板上，不直接作用在失控星上，不會對失控星造成損壞。
[0022]二、相比于使用磁力據(jù)器等傳統(tǒng)消旋方案，本發(fā)明方案將較大縮短消旋時間。由于石墨烯光帆在激光照射下一般能產(chǎn)生10 2N.m的消旋力矩，較之普通磁力矩器10 3N.m的消旋力矩增大一個數(shù)量級，可以有效縮短消旋時間。
[0023]三、在基于光帆的細胞帆推進控制過程中，利用光子石墨烯材料噴射電子產(chǎn)生反作用力的新原理產(chǎn)生推力，實現(xiàn)光致動。相比于傳統(tǒng)光致動原理(燒蝕物質(zhì)產(chǎn)生推力、輻射壓產(chǎn)生推力)，此種方式產(chǎn)生的推力要大數(shù)百倍，使得對母星產(chǎn)生的激光的功率要求大大降低，從而提高了方案的工程可行性，系統(tǒng)的復雜程度降低了 30-50%。
[0024]四、本發(fā)明中的細胞帆可根據(jù)實際不同任務的需求，攜帶不同大小的石墨烯光帆，實現(xiàn)模塊化、系列化設(shè)計。針對某一次具體的消旋任務，可根據(jù)失控衛(wèi)星的角動量以及轉(zhuǎn)動慣量大小計算得出在規(guī)定時間內(nèi)完成消旋所需的消旋力矩大小，根據(jù)此力矩值及單位面積石墨烯光帆在激光照射下可產(chǎn)生的推力大小，選擇相應面積的石墨烯光帆。
[0025]五、本發(fā)明中的細胞帆可擴展到直接利用太陽光推進，有效節(jié)約能源。為了能夠不依賴于激光照射而直接利用太陽光推進，可根據(jù)失控衛(wèi)星的角動量以及轉(zhuǎn)動慣量大小計算得出在規(guī)定時間內(nèi)完成消旋所需的消旋力矩大小，根據(jù)此力矩值及單位面積石墨烯光帆在太陽光照射下可產(chǎn)生的推力大小，選擇相應面積的石墨烯光帆，從而降低外部輔助設(shè)備的要求，靠太陽能有效節(jié)約能源。
[0026]六、本發(fā)明延伸性強，應用面可擴展。母體和細胞帆還可用于處理報廢衛(wèi)星、太空垃圾輔助離軌、維持或按需要改變推進劑耗盡衛(wèi)星的軌道。
【附圖說明】
[0027]圖1為本發(fā)明的流程圖；圖2為細胞帆穩(wěn)定飛行示意圖；圖3為細胞帆飛行姿態(tài)調(diào)整示意圖；圖4為細胞帆偏轉(zhuǎn)舵角示意圖；圖5為消旋過程示意圖；圖6為基于半周期激光消旋策略下的仿真曲線圖。
【具體實施方式】
[0028]【具體實施方式】一:結(jié)合I至圖5說明本實施方式，本實施方式的面向在軌服務的快速翻滾目標消旋細胞帆及其工作方法消旋由母星和細胞帆協(xié)同完成，母星作為激光器的載體，是消旋力矩的能量源，同時作為控制指令的發(fā)送端，是細胞帆的控制中心，而細胞帆作為附著在失控衛(wèi)星上的角動量消旋裝置，是執(zhí)行消旋任務的具體執(zhí)行機構(gòu)。
[0029]【具體實施方式】二:結(jié)合圖1至圖5說明本實施方式，本實施方式的所述工作方法包括以下步驟:
[0030]步驟一、細胞帆與母體服務衛(wèi)星分離；
[0031]步驟二、在母星發(fā)射的激光推進控制作用下，細胞帆接近失控翻滾目標；
[0032]步驟三、細胞帆與失控衛(wèi)星表面接觸，利用細胞帆上的仿生壁虎爪，產(chǎn)生附著力對失控衛(wèi)星表面進行吸附；
[0033]步驟四、基于細胞帆對目標進行角動量消旋；
[0034]步驟五、細胞帆通過陀螺儀測量失控衛(wèi)星的角速度，當角速度小于預先設(shè)定的10 3rad/s的閾值時，細胞帆通過通信系統(tǒng)向母星發(fā)送指令，母星停止工