空间绳系研究综述

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1、第27卷第6期航天器环境工程2010年12月SPACECRAFTENvIRoNMENTENG『NEERrNG775空间绳系研究综述孔宪仁，徐大富(哈尔滨工业大学卫星技术研究所，哈尔滨150001)摘要：空间绳系根据原理主要分为两类：动量交换绳系和电动力绳系。文章详细介绍了两者的基本原理、动力学模型和控制策略，描述了空间绳系技术实验项目的研究情况以及绳系结构设计和生存能力问题，对空间绳系的研究热点以及发展趋势进行了预测，同时列举了大量关于空间绳系技术的参考文献。研究表明：动量交换绳系和电动力绳系都可以实

2、现无推进剂推进，提供各种离轨和再入功能，具有广阔的应用前景。关键词：空间绳系；动量交换绳系：电动力绳系；动力学模型中图分类号：V412．4；V417+．9文献标识码：A文章编号：1673-1379(2010)06-0775-09DoI：10．3969／j．issn．1673-1379．2010．06．0250引言空间绳系是指用柔性系绳将两个或者两个以上的航天器连接在一起所构成的空间飞行系统，其中最具代表性的是将一颗卫星(子星)通过柔性系绳连接到另一颗质量较大的飞行器(基星)上，构成基星一系绳一子星空间

3、组合体，基星可以是卫星、飞船、航天飞机、空间站等多种空问飞行器，甚至可以是废弃的运载火箭上面级。该系统具有广阔的应用前景，如人工重力、绳系交会、太空发电、深空探测、行星际航行、航天器轨道保持与升降以及大气层的研究，等等。空间绳系具有很长的长度，可以通过释放或者回收系绳的长度来改变整个系统的构型和运动状态。空间绳系还具有柔性大、阻尼小、非线性强等特点。动力学与控制是空间绳系研究的两个重要内容，建立精确的绳系动力学模型并选择合适的控制策略是研究的重点和难点。1空间绳系研究的发展最早的空间绳系概念可以追溯到

4、俄罗斯航天之父齐奥尔科夫斯基1895年提出的“赤道通天塔”设想，利用绳系建立地球通往太空的通道【l】。在近几十年里，美国、意大利、俄罗斯、欧空局都进行过空间绳系方面的研究与实验，发表了大量关于空间绳系的科技文献。Bekey[2]介绍了动量交换绳系和电动力绳系的基本原理，同时讨论了绳系的潜在用途，比如低温推进剂的贮藏和转移、绳系星座、运用绳系做功进行轨道的升降、利用绳系从近地轨道转移到高轨道，等等。Ca∞lIl3J强调了绳系在空气动力学方面的应用，如利用绳系拖曳气球给空天飞机降速。Beletsky和Le

5、vin的专著【4】详细介绍了绳系动力学，列举了空间绳系潜在的用途，给出了在特定的空间环境下带末端质量的柔性绳索的运动方程，研究了绳系运动的稳定性问题。文献【5．6】提出了利用绳系进行有效载荷转移的概念，给出了圆轨道上绳系的运动方程。白Moravec【7】提出月球升降机的概念后，Forward[8】对此又作了深入的研究，并于1999年和和Hovt在ScientificAmerican上撰文H提出在地月有效载荷转移系统中使用绳系以提高速度；此外Cartmell等人‘10,11-13,J41也作过相关研究。

6、绳系还被考虑运用到太阳帆结构中去，甚至可以利用绳系建立复杂的空间网络结构，详见文献[15，16]。2001年美国航天局(NASA)马歇尔空间飞行中心(MSFC)的Sorensenll7】提出同时使用电动力绳系和动量交换绳系(MxER)进行轨道转移，绳系在椭圆轨道上飞行，在近地轨道上捕获有效载荷，并转移到更高轨道。在转移到下一轨道的前几收稿日期：2009．12．28；修回日期：2010．09．17基金项目：长江学者和创新团队发展计划资助项目(IRT0520)作者简介：孔宪仁(196l一)，男，教授，博士

7、生导师，主要研究卫星结构动力学、热力学等。通信作者：徐大富(1982一)，男，博士研究生，主要研究方向为电动力绳系卫星离轨技术。E—mail：xudafu268@163．com。776航天器环境工程第27卷周时间里可以利用电动力进行绳系再推进，且小需要推进剂，对于高性能的轨道转移推进具有潜在的应用价值。Rauwolf11剐对2018年火星计划中的空间推进技术进行了研究，认为以绳系为基础的计划很有潜力，但是技术的不成熟和操作上的复杂性将会对2018年的应用产生不利影响。2003年MSFC的最终报告[19

8、1表明生存能力和飞行验证非常重要，必要的理论和技术还需要在实验中进一步完善。2006年，Bonometiil20]证实MXER项目还在美国航天局的空间推进技术项目中(也可参阅文献f21，221)。VanderHeide和Kruij甜口J在2001年提出了利用绳系进行离轨进而缓解空问碎片的问题，讨论了绳系之间碰撞的潜在可能，建议每年只进行40个星座的离轨任务，且同一时刻空间只有4个绳系进行离轨任务，这样可以有效地避免绳系之间的碰撞。绳系生存能力的进一步研究