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

1、具有獨特推進優(yōu)勢的航天器一直是航天領(lǐng)域研究重點與關(guān)注焦點之一。太陽帆這類以光壓為動力的新型航天器已成為航天界研究熱點之一。因其具有“輕質(zhì)巨大”、“幾何非線性”、“結(jié)構(gòu)機構(gòu)復(fù)雜”等實際力學(xué)與機械特性,對太陽帆在軌運行具有重要影響。因此本文對太陽帆結(jié)構(gòu)靜力學(xué)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)、姿態(tài)動力學(xué)、剛?cè)狁詈蟿恿W(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和無窮點兩種連接方式,對支撐桿受光壓靜力作用進行靜力學(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行縮減處理,再基于牛頓迭代算法對縮減后的方程組進行數(shù)值求解。基于此給出太陽帆因形變而導(dǎo)致的推力折損分析。計算結(jié)果說明,支撐桿的非線性軸向位移較大,且相同參數(shù)條件下無窮點連接方式下的推力折

3、損小于兩點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行結(jié)構(gòu)動力學(xué)建模與計算。視支撐桿為主體剛度支撐結(jié)構(gòu),對其進行光壓靜力、滑動質(zhì)量塊、擺動的控制葉片等綜合作用下的振動分析。首先使用拉格朗日方程方法建立了無窮點連接方式下支撐桿軸向和橫向振動微分方程組,模型具有明顯的強耦合、非線性和系數(shù)矩陣時變等特點。使用隱式無條件穩(wěn)定的紐馬克-貝塔算法將每個時間步的動力學(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、組進行求解分析。并對滑塊質(zhì)量、滑塊滑動速度及控制葉片作用力的角速度對結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)的影響進行分析。計算結(jié)果說明滑塊質(zhì)量和滑動速度對支撐桿振動有一定影響,而控制葉片作用力的角速度對振動響應(yīng)的影響較微弱;
　　第三,對考慮控制桿、滑動質(zhì)量塊、控制葉片等復(fù)雜機構(gòu)作用下的大柔性太陽帆進行姿態(tài)動力學(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)動力學(xué)方程,模型具有很強的非線性耦合特點。本章工作為太陽帆剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)分析與控制奠定基礎(chǔ);
　　第四,對在軌正常運行的太陽帆進行剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)與控制研究。在前述結(jié)構(gòu)振動建模和姿態(tài)動力學(xué)建模基礎(chǔ)之上經(jīng)簡化得到用于姿態(tài)/振動控制和動力學(xué)仿真的剛?cè)狁詈蟿恿W(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