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空间碎片的多绳分叉拖曳系统在不同参数下的动力学分析

空间碎片,多绳分叉拖曳系统,参数选择,振荡

绳系拖曳系统是空间碎片的有效清除手段之一，该系统通过系绳将拖船和碎片相连，借助拖船航天器的推力使碎片拖曳离轨。在该过程中，由于碎片的初始旋转和姿态扰动，绳系拖曳系统可能出现系绳缠绕，系统大幅摆动等现象。为实现对碎片的消旋，本文采用系绳分叉出多根子绳连接于碎片边缘的被动稳定结构，抑制碎片的旋转。该多绳分叉拖曳系统中，拖船航天器推力的大小和方向影响着系统的平衡构型，稳定性和振动频率等；拖船、碎片和系绳的质量比，系绳弹性系数，系绳分叉点的偏移量等因素都会影响系统的轴向和横向振动。因此，分析系统在不同参数设置下的动力学响应，是避免实际拖曳过程中系统产生大幅度姿态扰动和振荡的重要措施。
本文首先采用凯恩方法建立了多绳分叉拖曳系统的三维动力学模型，模型中将碎片和拖船视为刚体，系绳看作仅可受拉的弹簧阻尼系统，质量集中在系绳两端。子绳的数目不限，系统的应用场景不限，拖船的运行轨道不限，从而使系统动力学模型普遍适用于一类多绳分叉拖曳系统。然后，考虑系统中拖船，系绳和碎片的不同质量比情况下系统的动力学响应，分析分叉点的偏移对系统摆动幅度的影响，系绳弹性系数与拖船推力的关系，系统发生大幅度振荡的参数特点等。从而为实际应用中绳系拖曳系统的参数选择提供理论依据和指导。