面向空间对接的电磁机构设计与实验研究

论文摘要

在空间活动中,航天器对接过程中位置控制的动力一般是发动机,但是其存在羽流污染、对接冲击、工质消耗等问题,为解决这些问题提出了研制电磁对接系统。其优势在于:可以避免喷出工质对航天器对接面的污染和损害,不依赖工质,也可以实现航天器间的零速度“软对接”。论文对电磁对接/分离系统的关键部件——电磁机构进行了研究。首先分析了国外相关研究中的电磁力应用形式和电磁系统结构,根据其不足提出了电磁对接机构总体方案,设计并分析了多种具体方案,通过比较得出了一些关于对接机构的重要结论、确定了最终的设计方案。其次,设计并构建了电磁特性测试的实验系统,开展了大量的实验研究,实验结果验证了电磁机构的理论分析结果。拟合了电磁机构的一维电磁力模型,发现电磁力大约与距离的3.4次方成反比,在一维模型的基础上提出了电磁机构二自由度和三自由度数学模型。再次,星载电源电压受限,希望此约束下电磁对接的耗时最短,运用庞特里亚金极大值原理初步研究了一维对接的最速控制,并简要分析了二维情形下的对接可控性。最后,为了验证电磁对接机理和相关控制算法,提出了电磁对接的地面验证实验方案。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 空间交会对接概述
• 1.2 传统空间对接活动中的控制动力
• 1.3 面向空间对接的电磁机构
• 1.4 国内外相关理论研究
• 1.5 本课题立题依据与研究内容
• 第二章 电磁对接机构的磁路设计思想及计算方法
• 2.1 电磁对接机构的磁路设计思想
• 2.2 电磁对接机构的计算方法
• 2.3 小结
• 第三章 面向空间对接的电磁机构理论设计与分析
• 3.1 电磁对接机构总的设计要求
• 3.2 电磁对接机构方案设计
• 3.3 电磁对接机构计算结果与分析
• 3.4 小结
• 第四章 实验设计与电磁特性研究
• 4.1 实验用电磁体结构和参数
• 4.2 实验系统设计
• 4.3 实验测量噪声处理和误差分析
• 4.4 电磁系统定性验证和一维特性研究
• 4.4.1 电磁系统定性验证
• 4.4.2 电磁力一维特性研究
• 4.5 电磁系统二维特性研究
• 4.5.1 电磁力和电磁力矩二维二自由度模型
• 4.5.2 电磁力和电磁力矩二维三自由度模型
• 4.6 电磁体控制力矩产生模式研究
• 4.7 小结
• 第五章 基于电磁力的对接控制研究
• 5.1 非线性系统控制理论概述
• 5.2 地面一维电磁对接控制研究
• 5.3 地面二维电磁对接可控性
• 5.4 基于电磁系统的地面对接验证实验方案设计
• 5.5 小结
• 结束语
• 一、论文工作内容
• 二、取得的成果
• 三、问题及后继研究工作建议
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果