航天器贮箱大幅液体晃动三维质心面等效模型研究

针对航天器贮箱内的大幅液体晃动建立了三维质心面等效模型,此模型将贮箱内液体等效为位于液体质心处的质点,该质心点可以在质心约束面内任意运动,同时利用质心点动力学方程及接触碰撞模型近似计算液体晃动对贮箱的作用力。质心面等效模型的数值仿真结果与基于VOF方法的流体动力学数值计算结果基本吻合,从而验证了质心面等效模型用于航天器贮箱大幅液体晃动分析的有效性。     

非轴对称贮箱液体晃动的等效力学模型

针对非轴对称贮箱液体晃动问题,从一般意义上推导了作三维运动的任意三维贮箱内液体晃动的等效力学模型,采用有限元方法建立计算等效力学模型参数的数值算法,利用矩阵相似变换的性质分离液体零频以消除液体刚度矩阵的奇异性,从而将等效力学模型参数的计算归结为广义特征值问题和线性代数方程组的求解,具有较高的计算效率。通过非轴对称贮箱液体晃动的算例说明,不同的等效晃动方向可能不正交,晃动平面可能不过液体质心,因此非轴对称贮箱液体晃动的等效力学模型比轴对称贮箱液体晃动的更加复杂。最后以三棱柱形充液贮箱为例,采用商用CFD（计算流体动力学）分析软件FLOW-3D验证了在贮箱作典型三维运动时等效力学模型的有效性。
     

液体大幅晃动类等效力学模型研究

基于液体大幅晃动等效力学模型研究充液航天器动力学与控制问题。首先,发展并完善了模拟液体大幅晃动的运动脉动球模型（MPBM）,结合已有的液体大幅晃动运动规律和分析结论对MPBM的法向力的计算方法进行了改进;通过数值仿真结果与已有试验结果的对比证明了以上改进工作的有效性。然后,基于MPBM建立了携带多个充液储箱的航天器动力学模型,针对携带四个储箱的充液航天器进行姿态机动控制研究。研究结果表明,四个充液储箱的三种可能的空间布局对航天器姿态机动过程中的角速度、液体晃动力矩和控制力矩将产生不同的影响;此外,还研究了液体大幅晃动等效力学模型中液体晃动阻尼因素对航天器姿态机动控制的影响。     

低重环境下旋转轴对称贮箱内液体晃动研究

针对低重环境下旋转轴对称贮箱自由晃动和受侧向、纵向激励时的箱内液体晃动,用变分原理推导了基于低重环境下静液面形状的液体晃动的积分形式的动力学控制方程,由拉普拉斯方程得到用高斯超几何级数解析表达的速度势和波高,进而得到液体晃动的模态运动方程。分析了球形贮箱和Cassini贮箱内液体自由晃动基频,贮箱受侧向激励时液体晃动波高振幅、晃动对贮箱产生的晃动力和力矩、晃动的等效力学模型,以及贮箱受纵向激励时的晃动波高振幅、可能出现的参激共振问题。     

多充液贮腔航天器耦合动力学与姿态控制

基于已有的质心面液体大幅晃动等效力学模型，采用拉格朗日方法，系统地建立了任意复杂激励下四贮腔航天器刚-液耦合动力学精确模型。由本文方法所得到的等效晃动力及晃动力矩与通过Flow3D计算出的相应结果吻合良好，验证了所建模型的可靠性。根据所建立的大幅晃动类充液航天器耦合系统动力学模型进一步研究了该类航天器在进行三轴稳定姿态机动时的主要动力学耦合特性，并设计了一类抑制姿态振荡的补偿控 制器。     

充液航天器大幅晃动耦合动力学建模仿真研究

针对充液航天器大幅液体晃动与全星姿态运动的耦合问题,文章采用三维质心面法建立了储箱级等效力学模型和全星级耦合姿态动力学方程。该方法将储箱内液体等效为只能在其质心面内运动的质心点,而液体晃动对储箱的作用力（含力矩）用质心点与质心面之间的相互作用来模拟,同时利用牛顿欧拉法推导了液体晃动与航天器姿态运动的耦合动力学方程。数值仿真表明,计算结果与其国外实验卫星的在轨测量结果基本一致,从而初步验证了质心面等效力学模型用于全星级大幅液体晃动耦合动力学分析的有效性。     

充液柔性航天器刚-液-柔耦合动力学研究的凯恩方法

借助凯恩方法对携带太阳能帆板的充液航天器耦合系统进行动力学建模,采用六自由度描述航天器的轨道及姿态运动,由运动脉动球模型模拟贮箱内液体燃料的晃动,根据几何非线性变形的假设引入太阳能柔性帆板的动力刚化效应并建立了航天器刚-液-柔耦合系统动力学模型。最后,为了验证理论的正确性和模型的合理性进行了数值仿真,结果表明微重力环境下液体晃动对航天器姿态机动将产生明显的干扰;随着重力效应的增加液体晃动对航天器姿态机动的干扰愈发明显,而刚液柔耦合效应对航天器的姿态机动具有不可忽视的影响。研究成果对复杂航天器动力学分析与总体设计有重要参考意义。     

充液航天器液体晃动等效力学模型的建立

在考虑液体表面张力影响液体晃动求解的基础上,利用动力学方程等价准则,建立了三轴定向充液卫星在二维平动和二维摆动扰动作用下的空间摆等效力学模型,并对两种情况下等效摆的主要参数进行了计算和比较。结果表明,考虑表面张力时,液体的晃动特性对航天器姿态控制系统稳定性有不利影响。     

横向激励下液体大幅晃动建模分析

研究部分充液球形贮箱内的液体在横向推力作用下发生大幅晃动的等效力学模型,建模过程同时考虑平动和转动激励。建立一种新的等效模型,首次提出液体的静平衡表面垂直于等效重力方向的假设,将液体的大幅运动分解为跟随等效重力的整体运动和在此基础上的小幅晃动,该等效模型能够更好地模拟液体大幅晃动情形。将仿真得到的晃动力和力矩与传统等效模型及Flow-3d的结果进行对比,验证了新模型的有效性和准确性。该模型可应用于探月软着陆悬停避障过程等实际工程问题中。     

大型平铺贮箱卫星的液体晃动模型与晃动力矩分析

针对高轨气象卫星的远地点发动机点火过程中贮箱内液体晃动与星体耦合动力学问题,根据流体力学及小幅液体晃动理论,建立可等效的液体晃动力学模型和姿态耦合动力学模型,分析了大型平铺贮箱内液体晃动产生的干扰力矩。研究表明：在远地点发动机点火阶段,液体晃动对卫星将产生较大干扰力矩。     

Equivalent mechanical model for liquid sloshing during draining

For a spacecraft draining liquid fuel during a continuous thruster maneuver, a brief equivalent method is proposed to model the time-varying properties of liquid sloshing for dynamics and control design. The sloshing liquid during draining is equivalent to a set of mechanical model with variable parameters. The model parameters for sample filling ratios are determined by an efficient finite element method according to equivalent principles, while the parameters for other filling ratios are obtained by piecewise linear interpolation. Using the proposed model, forces and torques acted on a Cassini shaped tank by the inside liquid during draining are investigated undergoing several typical motions. Verifications and comparative studies are done with Computational Fluid Dynamics simulations, which confirm the accuracy of the brief model while the sloshing amplitude is small and the flow rate is low.     

测量不确定的充液航天器自适应鲁棒容错控制

针对三轴稳定充液航天器控制系统中同时存在外部未知干扰,参数不确定,测量不确定和执行器部分失效故障的鲁棒容错姿态机动控制问题进行研究。首先将部分充液贮箱内的晃动液体燃料等效为粘性球摆模型,采用动量矩守恒定律推导出航天器的刚-液耦合动力学方程。然后将变结构控制策略结合范数自适应估计算法设计了自适应鲁棒容错控制器,其中设计的范数自适应控制算法用于有效估计由测量不确定产生的集总扰动的未知上界;自适应估计算法则用于有效估计贮箱内的液体晃动位移变量。提出的控制策略不依赖精确的故障信息,并且在故障信息值不确定的情况下可以实现期望的姿态机动任务。基于Lyapunov稳定性分析方法证明了容错闭环系统状态变量的一致最终有界性。采用数值方法验证了所提控制方法的有效性和鲁棒性。     

液体多模态晃动充液航天器姿态机动复合控制

主要研究多模态液体晃动时充液航天器大角度姿态机动动力学与控制问题。采用液体晃动弹簧质量等效力学模型将液体燃料前两阶液体晃动模态纳入到充液航天器耦合动力学模型中;根据动量矩守恒定律推导出充液航天器耦合系统动力学方程。针对充液航天器大角度姿态机动同时抑制燃料晃动的问题,采用自适应动态输出反馈的姿态控制方法并结合基于前馈控制的多模态ZVD输入成型器设计复合控制器。通过数值模拟给出了液体晃动响应及航天器姿态机动的时间历程图,数值仿真结果表明了本文所给出复合控制方法的有效性。     

模态分析在液体晃动等效力学模型建模中的应用

针对传统方法在液体晃动等效力学模型建模中通用性差的缺点,提出了一种对弹性体有限元进行模态分析实现解算液体晃动特征问题的方法。推导了液体晃动力和力矩与有限元模态分析结果间的关系,建立了液体在横向激励作用下晃动的等效力学模型。以椭球底柱形贮箱为例,给出了不同充液深度时液体晃动频率、晃动质量和晃动质心位置的变化。结果表明:计算值与实验数据吻合较好,验证了方法的有效性与正确性。     

椭球形贮箱内液体晃动特性试验研究

本文研究用于运载火箭的椭球形贮箱内液体晃动动力特性。利用常重力条件下缩比相似模型试验得到液体晃动的等效力学模型。应用参数识别技术确定第一阶等效模型的参数,并与近似计算方法得到的结果进行了比较。叙述了晃动试验中观测到的非线性效应。