电动帆连续轨迹解析近似方法

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作者 金如浩 霍明英 +4 位作者 姚博锐 王天晨 范子琛 杨列 齐乃明 《宇航学报》 北大核心 2025年第10期1991-2002,共12页

针对电动帆低姿态机动能力以及现有方法局限,提出一种推进角随极角线性变化的电动帆二维轨迹解析近似方法。首先考虑正常的椭圆停泊轨道,引入摄动参数并得到极坐标系下的运动微分方程组;随后将状态变量表示为摄动系数不同幂次项的组合... 针对电动帆低姿态机动能力以及现有方法局限,提出一种推进角随极角线性变化的电动帆二维轨迹解析近似方法。首先考虑正常的椭圆停泊轨道,引入摄动参数并得到极坐标系下的运动微分方程组;随后将状态变量表示为摄动系数不同幂次项的组合分别求解,得到解析近似轨迹;最后,在解析解中加入参数校正,进一步提高解析近似解的精度。数值仿真验证表明,该方法在省去积分时间的同时,相对误差显著低于固定推进角拼接解及传统数值积分法,近似精度也大大提高。该方法适用于多圈轨迹预测场景,为未来电动帆复杂行星际任务的连续转移轨迹设计和大规模搜索任务的初值估计提供了思路,尤其在解析轨迹拼接优化中实现更合理的连续推进角变化,对未来复杂航天任务规划具有重要参考价值。 展开更多

关键词 解析轨迹 电动帆 连续推进角 椭圆停泊轨道

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基于结构应变监测的风帆推力测量方法研究 被引量：2

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作者 杨华伟 汪雪良 +3 位作者 张涛 陈立 徐春 郑庆新 《装备环境工程》 CAS 2021年第4期109-114,共6页

目的提出一种用于实船测量的风帆推力测量方法。方法针对VLCC风帆推力实船测量的需求,首先对风帆推力计算公式和风帆桅杆推力状态进行分析,进一步根据梁结构应变测试方法提出基于应变监测的风帆推力测量方法和传感测点布置方案。通过陆... 目的提出一种用于实船测量的风帆推力测量方法。方法针对VLCC风帆推力实船测量的需求,首先对风帆推力计算公式和风帆桅杆推力状态进行分析,进一步根据梁结构应变测试方法提出基于应变监测的风帆推力测量方法和传感测点布置方案。通过陆基模拟试验对风帆推力测量方法进行试验验证。结果传感测点间结构应变差值随风帆推力增加而增大,具有显著线性关系,线性相关系数为0.9965,测试风帆推力与实际推力之间的平均误差为5%。结论提出的风帆推力测量方法用于实船测量是切实可行的。 展开更多

关键词 风帆助推装置 应变监测 风帆推力 测量方法 测试推力

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太阳帆推进任务的快速仿真方法 被引量：1

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作者 钱航 郑建华 +2 位作者 吴霞 高东 刘宇飞 《空间控制技术与应用》 CSCD 北大核心 2016年第2期8-13,19,共7页

研究太阳帆的力学特性和轨道控制设计方法,导出太阳帆的无奇点控制律.提出通过STK中MATLAB语言编写的嵌入式脚本(Plug-in Script)来将由控制律得到的光压力加速度矢量,添加到STK轨道计算力学模型中,从而进行轨道控制的方法.仿真结果表明... 研究太阳帆的力学特性和轨道控制设计方法,导出太阳帆的无奇点控制律.提出通过STK中MATLAB语言编写的嵌入式脚本(Plug-in Script)来将由控制律得到的光压力加速度矢量,添加到STK轨道计算力学模型中,从而进行轨道控制的方法.仿真结果表明,对于常规方法难以进行仿真分析的航天器动力学模型(如太阳帆),所提出的方法能快速灵活地支持其相应的任务,并增强任务场景的可视化,从而实现利用STK丰富的功能特性进行复杂航天任务的设计、分析和验证. 展开更多

关键词 复杂轨道设计 卫星工具包 太阳帆 小推力控制

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无人帆船最大航速控制的风帆攻角研究 被引量：1

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作者 黄朝明 刘如磊 +2 位作者 章志浩 林叶锦 王菲 《计算机应用与软件》 北大核心 2021年第11期64-69,113,共7页

风帆侧推力影响帆船阻力和航向稳定性,从而影响航速乃至使帆船失去航向。为使无人帆船在稳定航行中保持最大航速,对侧推力影响下帆船航速的风帆攻角作用规律进行研究。采用CFD技术对风帆空气动力特性进行数值模拟,获得风帆作用力系数曲... 风帆侧推力影响帆船阻力和航向稳定性,从而影响航速乃至使帆船失去航向。为使无人帆船在稳定航行中保持最大航速,对侧推力影响下帆船航速的风帆攻角作用规律进行研究。采用CFD技术对风帆空气动力特性进行数值模拟,获得风帆作用力系数曲线;基于响应型三自由度船舶操纵分离(MMG)方法建立目标帆船运动仿真模型,生成侧推力影响下不同风况和攻角对应的帆船航速簇曲线,分析获得无人帆船最大航速控制的风帆攻角策略。研究结果为无人帆船风帆攻角控制器的设计提供了理论参考。 展开更多

关键词 风帆攻角控制 最大航速 帆船运动模型 风帆侧推力 风帆助推力

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采用虚拟引力场的太阳帆/电推进混合推力机动轨道设计 被引量：3

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作者 孙冲 袁建平 +3 位作者 方群 崔尧 汪明晓 刘易斯 《西北工业大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第4期618-626,共9页

针对连续小推力轨道设计问题,提出了一种采用虚拟引力场的太阳帆-电推进混合小推力轨道设计与优化方法。首先,给出了虚拟引力场的定义,以及太阳帆/电推进混合推力模型;然后建立了基于混合推进方法设计连续小推力机动轨道设计模型;并推... 针对连续小推力轨道设计问题,提出了一种采用虚拟引力场的太阳帆-电推进混合小推力轨道设计与优化方法。首先,给出了虚拟引力场的定义,以及太阳帆/电推进混合推力模型;然后建立了基于混合推进方法设计连续小推力机动轨道设计模型;并推导了该动力学模型的解析解;其次采用四阶龙格库塔数值方法分析了该解析解的精度,提出了误差因子参数的概念,采用误差因子参数约束来保证解析解精度。最后,以地球-火星转移轨道设计的算例,求解了采用太阳帆/电推进混合推进方式实现航天器轨道机动,并将其结果与单独电推力方法进行了对比。仿真结果表明,该方法能够大大减小燃料消耗以及轨道转移任务时间;与混合连续推力间接优化方法相比,该解析方法能够很大程度上减少计算时间。 展开更多

关键词 连续小推力 太阳帆/电推进混合推进 轨道转移 轨道优化

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电动帆改进推力模型及深空探测性能分析 被引量：2

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作者 霍明英 齐乃明 +2 位作者 刘宇飞 曹世磊 叶炎茂 《动力学与控制学报》 2018年第2期151-156,共6页

电动太阳风帆(简称电动帆)是一种利用太阳风动能冲力飞行的新兴无质损飞行器.针对电动帆传统推力模型中忽略了姿态对推力幅值影响的问题,本文推导得出了一种解析形式的改进推力模型,并与最新的多项式拟合改进推力模型进行了对比.对比结... 电动太阳风帆(简称电动帆)是一种利用太阳风动能冲力飞行的新兴无质损飞行器.针对电动帆传统推力模型中忽略了姿态对推力幅值影响的问题,本文推导得出了一种解析形式的改进推力模型,并与最新的多项式拟合改进推力模型进行了对比.对比结果显示两种改进推力模型数值结果很接近,但本文的解析改进推力模型形式更简单.为了重新评估电动帆在深空探测中的性能,以地球至火星的飞行任务为算例,分别采用传统推力模型和解析改进推力模型进行了电动帆轨迹优化仿真.仿真结果显示,在相同特征加速度情况下,采用改进解析推力模型完成任务所需时间,大于采用传统推力模型所用时间.上述现象的原因在于传统推力模型中忽略了姿态改变对推力加速度大小的影响,并高估了电动帆所能产生的最大推进角. 展开更多

关键词 电动帆 改进推力模型 深空探测 轨迹优化

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混合小推力航天器日心悬浮轨道保持控制 被引量：7

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作者 张楷田 楼张鹏 +1 位作者 王永 陈绍青 《航空学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2015年第12期3910-3918,共9页

针对太阳帆、太阳电混合推进航天器日心悬浮轨道保持控制问题进行了研究。为解决基于局部线性化模型设计轨道保持控制器时存在的控制精度不高、模型精确性过度依赖等问题,应用自抗扰控制(ADRC)技术设计了轨道保持控制器。首先,采用圆形... 针对太阳帆、太阳电混合推进航天器日心悬浮轨道保持控制问题进行了研究。为解决基于局部线性化模型设计轨道保持控制器时存在的控制精度不高、模型精确性过度依赖等问题,应用自抗扰控制(ADRC)技术设计了轨道保持控制器。首先,采用圆形限制性三体问题(CRTBP)模型推导了混合小推力航天器日心悬浮轨道动力学方程;然后,考虑系统模型不确定性和外部扰动,提出了一种基于扰动估计和补偿的轨道保持控制方法;最后,数值仿真表明存在系统模型不确定性、初始入轨误差及地球轨道偏心率扰动等因素的情况下,所设计的控制器仅需很小的速度增量即可实现高精度的日心悬浮轨道保持控制。 展开更多

关键词 混合小推力 太阳帆 日心悬浮轨道 轨道保持 自抗扰控制

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马格努斯圆柱及变角度襟翼对无人帆船气动性能的影响 被引量：3

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作者 邓皓云 管殿柱 +1 位作者 李森茂 王宪辉 《中国舰船研究》 CSCD 北大核心 2023年第1期170-180,共11页

[目的]旨在研究马格努斯翼型和变角度襟翼对无人帆船气动性能的影响及其优化,以提高无人帆船的航行效率。[方法]采用CFD方法,以NACA 0021翼型作为无人帆船主翼帆的基准翼型,在主翼帆顶缘耦合马格努斯圆柱,分析马格努斯圆柱关键参数(直... [目的]旨在研究马格努斯翼型和变角度襟翼对无人帆船气动性能的影响及其优化,以提高无人帆船的航行效率。[方法]采用CFD方法,以NACA 0021翼型作为无人帆船主翼帆的基准翼型,在主翼帆顶缘耦合马格努斯圆柱,分析马格努斯圆柱关键参数(直径、位置和间隔)对翼型升阻特性的影响规律;在主翼帆顶缘耦合马格努斯圆柱的基础上,将襟翼帆嵌入主翼帆尾缘,研究不同襟翼帆偏转角下翼型周围流场和升阻特性及其对无人帆船推力性能的影响规律。[结果]结果表明:在大攻角下,马格努斯圆柱对翼型气动性能具有提升作用,在所研究参数范围内翼型升阻比与马格努斯圆柱位置正相关,与马格努斯圆柱直径和间隔负相关,其中圆柱的直径和间隔对翼型气动性能影响较大,位置的影响最小;在小攻角下,变角度襟翼帆对翼型气动性能的提升更明显,在0°~15°攻角内,翼型的升阻比与襟翼帆偏转角正相关;在马格努斯圆柱及襟翼帆共同作用下,风帆推力系数最大提升27%,且与襟翼帆的偏转角正相关。[结论]研究结果可为马格努斯圆柱及嵌入式襟翼帆在无人帆船领域的应用提供参考。 展开更多

关键词 无人帆船 气动性能 襟翼帆 马格努斯圆柱 推力系数

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旋转电动帆推进性能指标分析 被引量：1

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作者 张恒 文浩 罗操群 《动力学与控制学报》 2019年第3期281-287,共7页

电动太阳风帆(简称电动帆,E-sail)是一种新兴的利用太阳风动能产生冲力,实现无工质消耗的空间推进技术.本文考虑由两颗微小卫星通过导线连接构成的电动帆系统,关注传统电动帆推力模型研究中忽略的电动帆姿态对推力的影响,采用旋转电动帆... 电动太阳风帆(简称电动帆,E-sail)是一种新兴的利用太阳风动能产生冲力,实现无工质消耗的空间推进技术.本文考虑由两颗微小卫星通过导线连接构成的电动帆系统,关注传统电动帆推力模型研究中忽略的电动帆姿态对推力的影响,采用旋转电动帆'哑铃'模型假设进行动力学建模.最后,针对日心非开普勒轨道环境开展算例仿真,计入太阳风库仑力摄动的影响,分析电动帆的推进性能指标.仿真结果表明,电动帆推进效率主要由导线长度、导线电势、卫星质量和相对于飞行方向的俯仰角决定. 展开更多

关键词 电动帆 推力模型 太阳风 库仑力

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襟翼缝隙对风帆船气动性能的影响 被引量：1

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作者 王宪辉 管殿柱 +2 位作者 邓皓云 李森茂 季建华 《机械设计与研究》 CSCD 北大核心 2023年第1期202-207,213,共7页

为推进无人帆船在海洋数据收集和生态保护方面的应用,针对某型无人帆船设计一款带嵌入式襟翼帆的风帆系统,并对翼缝对风帆气动性能的影响进行研究。首先建立无襟翼帆以及翼缝宽分别为主翼帆弦长0‰、1‰、2‰、3‰和4‰的六种风帆模型,... 为推进无人帆船在海洋数据收集和生态保护方面的应用,针对某型无人帆船设计一款带嵌入式襟翼帆的风帆系统,并对翼缝对风帆气动性能的影响进行研究。首先建立无襟翼帆以及翼缝宽分别为主翼帆弦长0‰、1‰、2‰、3‰和4‰的六种风帆模型,用Fluent软件进行CFD仿真计算,分析不同翼缝下的襟翼帆翼面周围的压力和流场分布情况;并对六种风帆在多攻角和多襟翼帆偏转角下的升阻力特性进行比较分析;研究不同相对风向角下翼缝大小对无人帆船推力特性的影响。结果表明:襟翼帆的存在提高了无人帆船风帆的气动性能和无人帆船的推力特性。在一定攻角范围内,翼缝使带襟翼帆的翼型升力系数和升阻比减小、阻力系数提高、无人帆船的推力系数降低和侧推力系数提高;随着缝隙的增大,升阻力系数和升阻比变化的幅值增大;随着攻角的增大,翼缝大小对主翼帆升阻力特性的影响幅值减小;随着襟翼帆偏转角的增大,翼缝大小对主翼帆升阻比特性的影响幅值减小。 展开更多

关键词 无人帆船 襟翼帆 翼缝 CFD 推力系数

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基于CFD的无人帆船襟翼帆空气动力研究 被引量：3

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作者 李森茂 管殿柱 +1 位作者 夏涛 季建华 《船舶工程》 CSCD 北大核心 2022年第3期67-72,144,共7页

为推进无人帆船在海洋环境保护和资源勘测等方面的应用,为一款海上自动航行帆船设计了风帆结构,并进行气动性能分析。建立无襟翼帆、分离式襟翼帆和嵌入式襟翼帆3种翼帆模型,通过Fluent软件进行计算流体力学(CFD)计算分析,比较3种风帆... 为推进无人帆船在海洋环境保护和资源勘测等方面的应用,为一款海上自动航行帆船设计了风帆结构,并进行气动性能分析。建立无襟翼帆、分离式襟翼帆和嵌入式襟翼帆3种翼帆模型,通过Fluent软件进行计算流体力学(CFD)计算分析,比较3种风帆的气动性能,分析变角度襟翼帆对风帆气动性能和对帆船推力提升理论的影响规律。结果表明,嵌入式襟翼帆对无人帆船风帆整体的气动性能具有提升的作用;随着襟翼帆偏转角的增大,风帆的升力系数和升阻比随之增大、帆船的推力系数明显增强,对帆船性能的提升具有较优的影响,促进无人帆船在推力提升方面的研究。 展开更多

关键词 无人帆船 气动性能 襟翼帆 计算流体力学 推力系数

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混合小推力航天器轨道保持高性能滑模控制 被引量：7

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作者 陈弈澄 齐瑞云 +1 位作者 张嘉芮 王焕杰 《航空学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第7期216-227,共12页

针对采用太阳帆、太阳电混合小推力推进的航天器,研究了其在日心悬浮轨道的保持控制问题。为解决已有控制方法中未综合考虑内部未建模动态和外部未知扰动的问题,以及进一步提高系统控制性能,设计了一种高性能滑模控制策略。首先,考虑模... 针对采用太阳帆、太阳电混合小推力推进的航天器,研究了其在日心悬浮轨道的保持控制问题。为解决已有控制方法中未综合考虑内部未建模动态和外部未知扰动的问题,以及进一步提高系统控制性能,设计了一种高性能滑模控制策略。首先,考虑模型不确定性,建立了混合小推力航天器在日心悬浮轨道柱面坐标系的动力学方程;其次,基于改进型条件积分滑模面和径向基(RBF)神经网络设计了控制律,结合自适应方法在线估计不确定参数;接着,将求取的虚拟控制量在推进剂最优条件下转换成实际控制量,即太阳帆姿态角和太阳电推进力;最后,数值仿真验证了上述设计方法提高了系统鲁棒性,减小了轨道位置超调,并且混合推进相比于单一太阳帆推进,在更短收敛时间内控制精度提高了4个数量级,相比于单一太阳电推进,一年可以节省约89.6%的推进剂。 展开更多

关键词 混合小推力 太阳帆 日心悬浮轨道 条件积分滑模面 径向基(RBF)神经网络 自适应控制

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电帆推进在等离子体环境下推力影响因素分析和试验研究

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作者 赵博强 李永 于洋 《推进技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第6期432-438,共7页

为了分析电帆推力的影响因素,根据电帆推进原理设计了电帆地面模拟装置。首先分析了真空中带电导线和等离子作用机理,得出了电帆推力公式。利用朗缪尔探针测量了电帆模拟试验环境中等离子体参数,计算产生推力的大小,最后通过微推力测量... 为了分析电帆推力的影响因素,根据电帆推进原理设计了电帆地面模拟装置。首先分析了真空中带电导线和等离子作用机理,得出了电帆推力公式。利用朗缪尔探针测量了电帆模拟试验环境中等离子体参数,计算产生推力的大小,最后通过微推力测量系统测量电帆产生的推力,与计算结果进行了对比。根据推力公式和仿真结果表明,提高电压、增加带电粒子密度和速度、增加电帆长度均可增加推力。在试验中电帆上电压从300V增加到800V时,推力从9μN增加到26μN。仿真和试验结果表明,电压、带电粒子密度和速度、电帆导线长度都对推力有影响。根据试验结果,电帆推力公式的经验推力系数在1~2取值。 展开更多

关键词 电帆 等离子体 朗缪尔探针 微推力测量 地面模拟

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连续小推力非开普勒悬浮轨道研究综述 被引量：3

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作者 潘晓 徐明 《中国空间科学技术》 CSCD 北大核心 2021年第4期1-15,共15页

连续小推力非开普勒悬浮轨道在深空探测与地球极地观测任务中有着重要的应用前景。归纳了电推进、太阳帆推进等连续小推力技术的发展历程与现状;阐述了日心、行星悬浮轨道的动力学特性、稳定性、轨道保持策略;分析了三体问题下人工拉格... 连续小推力非开普勒悬浮轨道在深空探测与地球极地观测任务中有着重要的应用前景。归纳了电推进、太阳帆推进等连续小推力技术的发展历程与现状;阐述了日心、行星悬浮轨道的动力学特性、稳定性、轨道保持策略;分析了三体问题下人工拉格朗日点的优势及其在深空探测方面的应用;讨论了悬浮轨道编队飞行的研究方法与控制策略。最后针对小推力悬浮轨道研究发展面临的难题,提出了研究新思路和应用新方向。 展开更多

关键词 连续小推力 非开普勒悬浮轨道 太阳帆 人工拉格朗日点 悬浮编队

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