_ Cercetări privind dinamica și controlul FNTSM a navelor spațiale cu un sistem de buzunar de captare a filmului

În ultimii ani, odată cu creșterea semnificativă a activităților de lansare în spațiu, numărul navelor spațiale deorbitate a crescut brusc, având un impact grav atât asupra navelor spațiale active în orbită, cât și asupra activităților spațiale viitoare. . Sistemele tradiționale de captare a plasei de frânghie, care servesc ca tehnologie pentru dezorbitarea activă a navelor spațiale, dețin un potențial vast în atenuarea și curățarea resturilor spațiale.

Cu toate acestea, sistemele de frânghie se confruntă cu provocări precum dificultatea de a menține forma pe perioade îndelungate, susceptibilitatea la auto-încurcare, pierderi de energie și o reducere a zonei efective de captură. În schimb, peliculele subțiri se pot plia și desfășura de-a lungul formelor obișnuite, oferind o mai mare flexibilitate și fiabilitate în comparație cu legăturile. Ele apar ca o soluție eficientă la problema încurcăturii și prezintă o metodă promițătoare pentru atenuarea și îndepărtarea deșeurilor spațiale.

Într-un articol de recenzie publicat recent în Space: Science & Technology, echipa profesorului Wei Cheng de la Institutul Harbin de Tehnologia, în colaborare cu cercetătorii de la Institutul de Inginerie de Control din Beijing și Universitatea Benha, a proiectat un sistem de buzunar de captare a filmului subțire.

Cu toate acestea, structura flexibilă a acestui sistem este predispusă la deformare și vibrații semnificative în timpul mișcării, rezultând interferențe considerabile cu operațiunile navelor spațiale. Pentru a analiza cantitativ aceste perturbații, acest studiu se concentrează pe modelarea dinamică și controlul atitudinii sistemului de captare a buzunarului cu peliculă subțire.

Cercetarea implică dezvoltarea unui controler cu modul de alunecare terminal rapid, nesingular (FNTSM) și a unui sistem fix. observator de dilatare a timpului (FxESO) integrat într-o lege de control a urmăririi atitudinii. Eficacitatea controlerului este validată prin stabilirea unui prototip virtual. Această cercetare oferă suport teoretic pentru viitoarea aplicație pe orbită a sistemului.

În primul rând, stabiliți modelul sistemului de buzunar de captare. Folosind o structură mare de membrană flexibilă susținută de tije gonflabile, partea superioară formează o prismă octogonală, oferind un înveliș mare pentru mecanismul de captare, în timp ce partea inferioară capătă o formă cilindrică.

Desfășurarea și retragerea sistemului. sunt realizate prin reglarea umflarii si dezumflarii folosind articulatii flexibile gonflabile. Procesul de lucru al sistemului este în principal în 3 etape. În primul rând, sistemul navei spațiale este condus de motorul de mare forță pentru a se apropia de ținta capturată. Apoi, articulațiile flexibile gonflabile sunt umflate pentru a învălui ținta. În cele din urmă, nava spațială de serviciu manevrează activ pentru a trage ținta capturată pe orbita cimitirului.

În continuare, utilizați Formularea coordonatelor nodale absolute (ANCF) pentru a stabili modelul dinamic al sistemului de captare cu film subțire de buzunar. Folosiți elemente ANCF de ordin înalt cu 8 noduri pentru a descrie mișcarea suprafeței filmului, reprezentând vectorul de poziție globală prin polinoame de interpolare Φi (xi, yi).

Descrieți deformarea punctelor materiale folosind Green– Tensorul de deformare Lagrange și înlocuiți-l în tensorul de gradient al vectorului de poziție globală Ji pentru a deriva ecuațiile de mișcare ale elementului. Folosiți principiul muncii virtuale pentru a deduce ecuațiile cinematice ale elementului. Mai mult, introduceți controlerul u, viteza unghiulară ω(ω) și unitatea de cuaternion q.

Deduceți derivatele erorilor de urmărire a atitudinii, inclusiv eroarea vitezei unghiulare ωe și matricea de rotație a atitudinii Aqe. În cele din urmă, încorporând efectele momentului de inerție JR al navei spațiale și perturbațiile externe d, derivă ecuațiile dinamice de atitudine ale navei spațiale.

Ulterior, autorul, bazându-se pe controlul modului de alunecare neliniar, a conceput o suprafață F Fast Terminal Sliding Mode (FTSM). Pentru a preveni problemele de singularitate în FTSM, o suprafață Fast Nonsingular Terminal Sliding Mode (FNTSM) F este proiectat când |qei| < ψ.

Introducerea unui Fixed-Time Extended State Observer (FxESO) implică proiectarea ecuațiilor dinamice pentru eroarea de observare, permițând estimarea incertitudinilor. În cele din urmă, pe baza FTNSM și FxESO, un controler de navă spațială este proiectat pentru a obține convergența și stabilitatea într-un timp finit.

În urma acestuia, autorul a stabilit un prototip virtual și a efectuat analize de simulare numerică a dinamicii și controlului relevante. teorii. Studiul a relevat faptul că, după manevrele de atitudine a navelor spațiale, sistemul s-a stabilizat treptat.

Totuși, în tijele flexibile existau încă vibrații, împiedicând strângerea completă a membranei, rezultând încrețiri continue pe suprafața membranei. În plus, controlerul FNTSM + FxESO a fost comparat cu controlerul Nonsingular Terminal Sliding Mode (NTSM) + Expansion Observer (ESO) și au fost analizate erorile de atitudine sub acest controler.

Rezultatele indică faptul că FNTSM + Controlerul FxESO aduce nava spațială la atitudinea dorită după 10 secunde, ceea ce este cu aproximativ 25 de secunde mai rapid în comparație cu controlerul NTSM + ESO. Acest lucru îmbunătățește semnificativ viteza de convergență a erorii de atitudine a sistemului.

În plus, acest controler poate suprima în mod eficient vibrațiile de mare amplitudine, menținând eroarea de atitudine la starea de echilibru la magnitudinea de 10-4. Acest lucru demonstrează performanța ridicată a eficienței, preciziei și stabilității controlerului propus.

(Fluierul)