题目：库仑航天器的动力学与控制研究

随着航天技术的发展，近距离相对运动的研究日益深入。以往大部分研究主要着重于相对运动原理的研究，而对控制力实现方式研究的较少。由于燃料质量有限以及可能的羽流污染，常规推力器在相对运动特别是超近距离的相对运动的应用会受到限制。为此，本论文研究了使用航天器间的库仑力进行相对运动控制的方法。通过将太阳能转化为电能而使航天器带电，使之成为所谓的“库仑航天器”，可以在航天器间产生库仑力作用。利用该库仑力进行相对运动的控制，可以有效地避免燃料受限和羽流污染的问题。论文中称具有主动表面电位调节能力的航天器为库仑航天器，称使用库仑力的相对轨道控制技术为库仑推进技术。论文包括以下四方面的研究内容：首先，阐述了航天器在空间等离子体环境中的被动充电现象。在此基础上，论文进行了库仑推进和库仑航天器的可行性分析。文中总结归纳了库仑航天器的关键技术，研究了表面电荷的主动控制方法，设计了相应的控制律并对控制效果进行了评估，还进行了航天器的结构的初步设计。论文从推力器的角度研究了库仑推进的特点，包括系统功率、快速响应能力、质量需求、工质消耗以及系统误差等几个方面。论文研究表明，库仑推进是一种高效的推进方式，将其用于高轨的相对运动控制是可行的。论文的第二部分研究了库仑航天器的动力学模型。首先建立了库仑力的模型，模型中考虑了等离子体的屏蔽效应以及导体间的静电感应的影响。接下来，通过和常见摄动力进行量级比较，明确了建模时需考虑的摄动力，进一步验证了库仑推进的应用范围。论文将库仑航天器的运动分解为系统质心的运动和相对于系统质心的相对运动，并对这两类运动的特点进行了分析。最后作为特例，论文还研究了基于库仑力的虚拟空间结构以及绳系可扩展空间结构，对其设计和动力学特性进行了讨论。论文的第三部分研究了库仑航天器的控制问题。论文将库仑推进看作一种新型的控制执行机构。首先研究了控制力的库仑力实现方法，提出了多极配置和混合推力的方案。之后，使用序列控制策略解决仅在库仑力作用下航天器相对机动的耦合控制问题，并进行了一般性的稳定性分析。序列控制的核心是控制优先级分配，文中提出了基于时间和误差的两类序列控制的优先级分配方法。论文以编队队形重构和编队保持为例，演示了混合推力方法和序列控制方法的用法，并通过具体的数值算例验证了方法的有效性。论文的第四部分以两个库仑航天器构成的悬停轨道为例，探讨了库仑航天器在空间任务中的应用。这一场景利用了库仑力在节省燃料和缓解羽流污染方面的优势。基于球坐标形式的动力学模型，论文研究了构型保持和重构的控制律，以及讨论了建模误差对控制精度的影响。论文研究表明，模型中需考虑太阳光压的摄动效应，而且需要尽量给出精确的库仑力模型。数值仿真验证了上述分析的正确性。论文的研究为库仑力在相对运动控制方面的应用打下了基础。相关的理论分析可用于对羽流敏感的其它高轨近距离航天任务，也可以作为近距离分布式航天器系统的设计参考。