Структура карманной системы для захвата пленки. Авторы и права: Космос: наука и технологии.
В последние годы, в связи со значительным увеличением активности космических запусков, резко возросло количество уведенных с орбиты космических аппаратов, что оказывает серьезное влияние как на активные орбитальные космические корабли, так и на будущую космическую деятельность. Традиционные системы захвата веревочными сетями, служащие технологией активного спуска космических кораблей с орбиты, обладают огромным потенциалом в смягчении последствий и очистке космического мусора.
Однако веревочные системы сталкиваются с такими проблемами, как трудности с поддержанием формы в течение длительного времени, склонность к самозапутыванию, потери энергии и уменьшение эффективной площади захвата. Напротив, тонкие пленки могут сгибаться и разворачиваться по правильной форме, обеспечивая большую гибкость и надежность по сравнению с тросами. Они представляют собой эффективное решение проблемы запутывания и представляют собой многообещающий метод борьбы с космическим мусором и его удаления.
В обзорной статье, недавно опубликованной в журнале Space: Science & Technology, команда профессора Вэй Ченга из Харбинского технологического института в сотрудничестве с исследователями из Пекинского института техники управления и Университета Бенха разработала карманную систему тонкопленочного захвата.
Однако гибкая конструкция этой системы подвержена значительным деформациям и вибрациям во время движения, что приводит к значительным помехам в работе космического корабля. Для количественного анализа этих нарушений в настоящем исследовании основное внимание уделяется динамическому моделированию и управлению ориентацией системы захвата тонкопленочных карманов.
Исследование включает разработку быстрого несингулярного терминального контроллера скользящего режима (FNTSM) и наблюдателя с фиксированным замедлением времени (FxESO), интегрированных в закон управления с отслеживанием ориентации. Эффективность контроллера подтверждается путем создания виртуального прототипа. Это исследование обеспечивает теоретическую поддержку для будущего применения системы на орбите.
Рабочий процесс карманной системы пленочного захвата. Авторы и права: Космос: наука и технологии.
Во-первых, установите модель системы карманов для захвата. Благодаря большой гибкой мембранной конструкции, поддерживаемой надувными стержнями, верхняя часть образует восьмиугольную призму, образуя большую оболочку для механизма захвата, а нижняя часть принимает цилиндрическую форму.
Развертывание и втягивание системы достигается за счет регулировки надувания и сдувания с помощью надувных гибких соединений. Рабочий процесс системы в основном состоит из 3 этапов. Сначала система космического корабля приводится в движение двигателем большой тяги для приближения к захваченной цели. Затем надувные гибкие шарниры надуваются, чтобы окутать цель. Наконец, служебный космический корабль активно маневрирует, чтобы утащить захваченную цель на орбиту кладбища.
Затем используйте формулировку абсолютных узловых координат (ANCF), чтобы создать динамическую модель системы захвата тонкопленочных карманов. Используйте элементы ANCF высокого порядка с 8 узлами, чтобы описать движение поверхности пленки, представляя глобальный вектор положения через интерполяционные полиномы Φi (xi, yi).
Опишите деформацию материальных точек, используя тензор деформации Грина – Лагранжа, и подставьте его в глобальный тензор градиента вектора положения Ji, чтобы вывести уравнения движения элемента. Используйте принцип виртуальной работы для вывода кинематических уравнений элемента. Кроме того, введем контроллер u, угловую скорость ω(ω) и единичный кватернион q.
Выведите производные ошибок отслеживания ориентации, включая ошибку угловой скорости ωe и матрицу вращения ориентации Aqe. Наконец, учитывая влияние момента инерции космического корабля JR и внешнего возмущения d, выведите динамические уравнения ориентации космического корабля.
-
Кривые ошибки ориентации qe. Авторы и права: Космос: наука и технологии.
-
Сравнение FNSMC + FxESO и NTSM + ESO. Авторы и права: Космос: наука и технологии.
Впоследствии автор, основываясь на управлении нелинейным режимом скольжения, разработал поверхность F режима быстрого несингулярного скольжения (FTSM). Чтобы предотвратить проблемы с сингулярностью в FTSM, поверхность F режима быстрого несингулярного скольжения (FNTSM) спроектирована, когда |qei|
Внедрение наблюдателя расширенного состояния с фиксированным временем (FxESO) предполагает разработку динамических уравнений для ошибки наблюдения, позволяющих оценивать неопределенности. Наконец, на основе FTNSM и FxESO контроллер космического корабля предназначен для достижения сходимости и стабильности в течение конечного времени.
После этого автор создал виртуальный прототип и провел численный анализ соответствующих теорий динамики и управления. Исследование показало, что после маневров космического корабля система постепенно стабилизировалась.
Однако в гибких стержнях все еще присутствовала вибрация, не позволявшая мембране полностью затянуться, что приводило к образованию непрерывных складок на поверхности мембраны. Кроме того, контроллер FNTSM + FxESO сравнивался с контроллером Nonsingular Terminal Sliding Mode (NTSM) + Expansion Observer (ESO) и анализировались ошибки ориентации под этим контроллером.
Результаты показывают, что контроллер FNTSM+FxESO приводит космический корабль в нужное положение за 10 секунд, что примерно на 25 секунд быстрее по сравнению с контроллером NTSM+ESO. Это значительно улучшает скорость сходимости ошибки ориентации системы.
Кроме того, этот контроллер может эффективно подавлять вибрации высокой амплитуды, сохраняя установившуюся ошибку ориентации на уровне 10-4. Это демонстрирует высокую эффективность, точность и стабильность работы предлагаемого контроллера.
Информация от: Пекинским технологическим институтом Press Co., Ltd.
