復(fù)雜機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)太陽帆航天器動(dòng)力學(xué)建模與控制問題研究.pdf

1、具有獨(dú)特推進(jìn)優(yōu)勢的航天器一直是航天領(lǐng)域研究重點(diǎn)與關(guān)注焦點(diǎn)之一。太陽帆這類以光壓為動(dòng)力的新型航天器已成為航天界研究熱點(diǎn)之一。因其具有“輕質(zhì)巨大”、“幾何非線性”、“結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)復(fù)雜”等實(shí)際力學(xué)與機(jī)械特性,對太陽帆在軌運(yùn)行具有重要影響。因此本文對太陽帆結(jié)構(gòu)靜力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、姿態(tài)動(dòng)力學(xué)、剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)與控制等問題開展研究,具體研究內(nèi)容如下:
　　第一,對考慮結(jié)構(gòu)幾何非線性的太陽帆進(jìn)行靜力學(xué)分析及基于此的推力模型折損研究。將方形太陽帆支撐桿

2、視為主體剛度支撐結(jié)構(gòu),認(rèn)為帆面隨之形變而形變。在帆面太陽角變化較緩情況下,針對帆面與支撐桿為兩點(diǎn)和無窮點(diǎn)兩種連接方式,對支撐桿受光壓靜力作用進(jìn)行靜力學(xué)研究。首先基于虛功原理建立單元有限元平衡方程,而后集成為整體結(jié)構(gòu)有限元模型,并結(jié)合邊界條件對所得方程組進(jìn)行縮減處理,再基于牛頓迭代算法對縮減后的方程組進(jìn)行數(shù)值求解?；诖私o出太陽帆因形變而導(dǎo)致的推力折損分析。計(jì)算結(jié)果說明,支撐桿的非線性軸向位移較大,且相同參數(shù)條件下無窮點(diǎn)連接方式下的推力折

3、損小于兩點(diǎn)連接方式下的推力折損;
　　第二,對考慮結(jié)構(gòu)幾何非線性的太陽帆進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)建模與計(jì)算。視支撐桿為主體剛度支撐結(jié)構(gòu),對其進(jìn)行光壓靜力、滑動(dòng)質(zhì)量塊、擺動(dòng)的控制葉片等綜合作用下的振動(dòng)分析。首先使用拉格朗日方程方法建立了無窮點(diǎn)連接方式下支撐桿軸向和橫向振動(dòng)微分方程組,模型具有明顯的強(qiáng)耦合、非線性和系數(shù)矩陣時(shí)變等特點(diǎn)。使用隱式無條件穩(wěn)定的紐馬克-貝塔算法將每個(gè)時(shí)間步的動(dòng)力學(xué)方程組轉(zhuǎn)化為非線性代數(shù)方程組,基于牛頓迭代算法對所得方程

4、組進(jìn)行求解分析。并對滑塊質(zhì)量、滑塊滑動(dòng)速度及控制葉片作用力的角速度對結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)的影響進(jìn)行分析。計(jì)算結(jié)果說明滑塊質(zhì)量和滑動(dòng)速度對支撐桿振動(dòng)有一定影響,而控制葉片作用力的角速度對振動(dòng)響應(yīng)的影響較微弱;
　　第三,對考慮控制桿、滑動(dòng)質(zhì)量塊、控制葉片等復(fù)雜機(jī)構(gòu)作用下的大柔性太陽帆進(jìn)行姿態(tài)動(dòng)力學(xué)建模。給定太陽帆基本構(gòu)型與假設(shè),給出坐標(biāo)系定義、廣義坐標(biāo)選取和相應(yīng)坐標(biāo)變換。給出有效載荷、滑塊和支撐桿的位置和速度及相關(guān)能量。求取控制葉片廣義外力

5、矩。最終基于拉格朗日方程方法建立太陽帆姿態(tài)動(dòng)力學(xué)方程,模型具有很強(qiáng)的非線性耦合特點(diǎn)。本章工作為太陽帆剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)分析與控制奠定基礎(chǔ);
　　第四,對在軌正常運(yùn)行的太陽帆進(jìn)行剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)與控制研究。在前述結(jié)構(gòu)振動(dòng)建模和姿態(tài)動(dòng)力學(xué)建?；A(chǔ)之上經(jīng)簡化得到用于姿態(tài)/振動(dòng)控制和動(dòng)力學(xué)仿真的剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)方程。以地球靜止軌道上的太陽帆軌道提升任務(wù)為例,開展太陽帆姿態(tài)/振動(dòng)控制研究。其中,針對太陽帆因受質(zhì)心/壓心偏差而致的常值干擾力矩問題,分