Dynamics and Control of Electrodynamic Tether Systems

电动系绳系统的动力学和控制

基本信息

  • 批准号:
    341917-2013
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 2.33万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    加拿大
  • 项目类别:
    Discovery Grants Program - Individual
  • 财政年份:
    2017
  • 资助国家:
    加拿大
  • 起止时间:
    2017-01-01 至 2018-12-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Electrodynamic tethers (EDTs) are an innovative approach to generate propulsion for boost and deorbit maneuver and electricity onboard spacecraft without consuming propellant. Over the past five decades, 12 out of 26 orbital and suborbital tether missions flew with EDTs. However, the system is prone to the long-term instability caused by the time-varying excitation of Lorentz force. Thus, a thorough understanding of the long-term dynamic stability of an EDT system is essential for its useful application in space. In spite of great achievements in the EDT theory and electrodynamic tethered systems, a number of interesting challenges still exists in the fundamentals of coupled EDT dynamics and long-term dynamic stability. Therefore, the objectives of this discovery program are to systematically study the coupled electro-mechanical dynamics and optimal control of the long-term stability of EDT systems. In this new approach, we will formulate a multiphysics model of dynamics of a bare and flexible EDT coupled with electricity generation by orbit motion limited theory. Based on the new multiphysics model, the parameters of EDT systems will be optimized by applying multiobjective optimization procedure for (a) fastest time in boost or deorbit maneuver or (b) maximum energy generation for given payloads onboard spacecraft, while minimizing the EDT length and end masses. The long-term dynamic stability of an EDT system will be achieved by finding an optimal balance between a stable oscillation of a time-varying EDT system and given mission objectives using the nonlinear-programming optimization procedure and the robust finite receding horizon control theory. Finally, ground testing will be conducted to validate the dynamics and control strategy. The outcome of the proposed research program will be (i) a high-fidelity multiphysics EDT model essential for EDT systems, (ii) a robust optimal control algorithm, and (iii) training of 14 HQP in an interdisciplinary and collaborative environment. It will advance our knowledge in new propulsion or power generation for future space exploration and enhance the competitiveness of Canadian space industry.
电动力系(EDTS)是一种创新的方法,用于产生推进和Deorbit动作的推进,并且在没有驱动推进剂的情况下,板上航天器上的电力。在过去的五十年中,在26个轨道和亚轨道系绳任务中,有12个与EDT一起飞行。但是,该系统易于由洛伦兹力的时变激发引起的长期不稳定性。因此,对EDT系统的长期动态稳定性的透彻理解对于其在空间中的有用应用至关重要。尽管在EDT理论和电动力束缚系统中取得了巨大成就,但在耦合EDT动力学和长期动态稳定性的基础上,仍然存在许多有趣的挑战。因此,该发现计划的目标是系统地研究EDT系统长期稳定性的耦合电力动力学和最佳控制。在这种新方法中,我们将制定裸露和灵活的EDT动力学的多物理模型,并通过Orbit Motion Limited理论进行发电。基于新的多物理模型,将通过在Boost或DeOrbit操纵中应用多目标优化过程来优化EDT系统的参数,或者(B)在船上航天器上给定有效负载的最大能量生成,同时最小化EDT长度和最终质量。 EDT系统的长期动态稳定性将通过在稳定的EDT系统的稳定振荡之间找到最佳平衡,并使用非线性编程优化程序和强大的有限逐渐消退的地平线控制理论给出了任务目标。最后,将进行地面测试以验证动态和控制策略。拟议的研究计划的结果将是(i)EDT系统必不可少的高保真多物理EDT模型,(ii)强大的最佳控制算法,以及(iii)在跨学科和协作环境中对14个HQP进行培训。它将提高我们在新的推进或发电方面的知识,以促进未来的太空探索,并增强加拿大太空行业的竞争力。

项目成果

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