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航天员舱外救生动力学建模与控制技术研究

作　者: 林泰明
导　师: 李东旭
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 航空宇航科学与技术
关键词: 出舱活动技术航天员救生救生辅助装置组合脉冲推力约束运动理论姿态控制路径规划
分类号: V527
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 26次
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内容摘要

航天员出舱活动技术是载人航天的关键技术之一。由于舱外轨道环境十分复杂,使航天员在出舱活动过程中面临许多困难,甚至是遭遇难以预见的险情,其中就包括航天员漂离航天器的危险。为应对这种紧急情况,目前国外主要采用的安全保障措施是让出舱航天员随身背负一个救生辅助装置。但由于舱外的人体质量特性复杂多变,四肢运动呈随机状态,以及救生辅助装置的性能有限,使得该救生问题具有挑战性。论文在此背景下,对航天员舱外救生进行了动力学建模,对救生辅助装置进行了改进设计,提出了姿态稳定、姿态捕获和救生路径规划的方法,并进行了仿真计算。主要工作包括:1.总结了国内外航天员舱外救生技术的发展情况,重点对舱外机动装置的发展和其辅助救生时的关键技术问题进行了分析归纳。2.分析了航天员在太空失重环境和航天服包裹下出舱的困难,以及发生险情的形式,在比较各种救生预案后确定了基于救生辅助装置救生的适用性。3.对航天员的质心运动进行了建模,给出了动力学方程关于组合脉冲推力输入下的解,仿真了航天员飘离轨迹,并对方程的摄动进行了精度分析;将航天员的人体简化为9刚体树系统结构,给出了四肢运动对主体的作用力矩表达式,基于Udwadia-Kalaba约束运动理论推导了以Euler四元数为变量的航天员主体姿态动力学方程,模型适用范围广,精度可调。4.提出了救生生辅助装置的系统组成和工作框架,重点对其控制系统进行了设计,提出利用光学成像测量和惯性测量进行组合导航的方案,并给出了以N2O为工质、16喷嘴布局和推力脉冲宽度调制的推力执行系统方案。5.给出了救生任务的基本流程;针对其中的关键步骤,包括航天员姿态稳定和捕获过程设计了相应的控制器,在存在系统参数不确定、输入干扰和状态测量误差等条件下对其进行了数学仿真,结果验证了控制器的鲁棒性;提出了在时间约束下的目标返回点优选准则和双冲量速度补偿救生路径规划方法,有效的减少了各种误差因素导致的交会偏差,仿真结果验证了该救生路径规划方法的实用性。

全文目录

摘要  9-10
ABSTRACT  10-11
第一章绪论  11-19
  1.1 研究背景及意义  11-13
  1.2 国内外研究现状  13-18
    1.2.1 舱外活动救生技术发展概况  13-15
    1.2.2 舱外活动救生技术研究中的关键问题  15-18
  1.3 论文内容与结构安排  18-19
第二章航天员出舱活动危险性分析与救生方案比较  19-28
  2.1 引言  19
  2.2 航天员出舱活动概述  19-22
    2.2.1 出舱活动的发展简史与基本特征  19-20
    2.2.2 出舱活动的分类  20-21
    2.2.3 出舱活动的基本技术及其发展趋势  21-22
  2.3 航天员舱外作业中的问题与困难  22-24
  2.4 航天员舱外作业可能出现的险情  24-26
  2.5 航天员舱外救生的各种应急预案比较分析  26-27
  2.6 小结  27-28
第三章航天员舱外救生中的动力学建模  28-58
  3.1 引言  28
  3.2 航天员质心动力学建模  28-36
    3.2.1 航天员与航天器的相对轨道运动方程  28-32
    3.2.2 航天员飘离危险性与分离轨迹仿真分析  32-36
  3.3 航天员与航天器的相对轨道摄动分析  36-42
    3.3.1 各摄动因素影响的对比和建模取舍  36-37
    3.3.2 主要摄动作用建模  37-41
    3.3.3 数学仿真与分析  41-42
  3.4 航天员与航天器的相对姿态运动描述  42-46
    3.4.1 航天员身体方向的定义  42-44
    3.4.2 相对姿态数学描述方法  44-46
  3.5 航天员人体姿态动力学建模  46-56
    3.5.1 航天员人体树系统建模  46-53
    3.5.2 航天员主体姿态动力学建模  53-56
  3.6 小结  56-58
第四章航天员舱外救生辅助控制系统设计  58-70
  4.1 引言  58
  4.2 救生辅助装置的总体结构和性能参数  58-60
  4.3 救生辅助装置控制系统设计与建模  60-68
    4.3.1 救生辅助装置导航方法  61-66
    4.3.2 小推力器执行系统设计与建模  66-68
  4.4 小结  68-70
第五章航天员舱外救生方案综合规划  70-89
  5.1 引言  70
  5.2 航天员舱外救生过程总体方案  70-72
  5.3 航天员舱外救生中的姿态稳定方法  72-74
    5.3.1 航天员姿态稳定控制器设计  72
    5.3.2 仿真验证与结论  72-74
  5.4 航天员舱外救生中的姿态捕获方法  74-81
    5.4.1 姿态捕获控制器分析与设计  74-76
    5.4.2 仿真验证与结论  76-81
  5.5 航天员舱外救生中的路径规划  81-88
    5.5.1 航天员对目标返回点的交会偏差分析  81-83
    5.5.2 基于时间约束和实际误差分析的救生路径规划  83-85
    5.5.3 仿真验证与结论  85-88
  5.6 小结  88-89
第六章结论与展望  89-91
  6.1 结论  89-90
  6.2 展望  90-91
致谢  91-92
参考文献  92-95
作者在学期间取得的学术成果  95

航天员舱外救生动力学建模与控制技术研究

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