采用系统模态时柔性航天器的混合坐标动力学方程

首先建立了采用任意浮动参考架时的柔性航天器动力学方程,然后选择连体坐标系为浮动参考架,解所得到的动力学方程的特征值问题,得到整个航天器系统的系统模态。通过模态变换,得到用连体系刚体位移和系统模态坐标表示的混合坐标航天器动力学方程。与通常采用部件模态得到的混合坐标动力学方程不同,这时动力学方程中刚体运动和弹性运动已无惯性耦合。同时也和采用系统自由弹性模态不同,这时刚体坐标直接反映航天器刚体运动。论文最后给出了两个算例。     

点式连接航天器等效刚度模态分析方法

针对点式连接航天器受接触影响而产生的非线性特性,提出了利用线性等效刚度代替非线性刚度以计算点式连接航天器模态的分析方法。首先采用有限元软件对点式连接航天器的非线性刚度进行分析,并基于非线性振动和结构动力学的原理,建立了等效刚度的计算方法。将等效刚度代入广义弹簧单元,最终获得点式连接航天器的简化模型并分析其模态。模态分析结果与试验结果对比显示,相比于传统分析方法,基于等效刚度的简化模型精确地预测了点式连接航天器的模态,有利于提高点式连接航天器的动力学仿真分析精度。     

可变构型复合柔性结构航天器动力学建模研究

针对中心刚体加复合柔性结构类航天器采用混合坐标法和子结构模态综合法，建立了可变构型复合柔性结构航天器低阶动力学模型。获得的柔性动力学方程及其各类耦合系数矩阵，适用于全星级可变构型系统和部件级复合柔性附件系统的控制系统设计与仿真，该模型具有阶数低和工程实用的特点。     

利用改进TW-API方法在轨辨识挠性航天器时变模态参数

考虑大型挠性部件运动导致的在轨航天器模态参数时变特性,提出一种改进的截断窗逼近幂迭代（TW-API）追踪方法。针对传统TW-API方法计算量较大的问题,改进的方法简化了数据处理中的矩阵递推过程,显著减少了在轨辨识过程的计算量和计算时间。还将该方法与经典投影估计子空间跟踪（PAST）方法和逼近幂迭代（API）递推方法进行了计算量对比与分析。为检验四种方法用于航天器模态参数辨识的效果,选取ETS-VIII卫星为对象进行数值仿真。通过实际计算时间的比较,校验了改进TW-API方法在大型挠性航天器时变模态参数在轨辨识方面的有效性。     

单翼大挠性航天器全局模态动力学建模及试验

针对小中心刚体-单侧大挠性结构构型的航天器，通过定义广义全局模态振型，提出一种全局模态动力学模型。采用统一形式描述整体刚体运动和整体挠性变形，基于哈密顿原理推导了全局模态动力学方程，结合瑞利瑞兹法推导了非约束模态频率和模态振型的计算方法。通过仿真和试验校验了全局模态动力学模型的准确性。与有限元模型对比，分析了非约束模态频率随着刚柔质量比和惯量比的变化情况，第一阶模态频率的最大误差为0.003 Hz，说明全局模态动力学模型能够比较准确地描述非约束模态频率；理论模型能够比较准确地描述动态响应，端部横向位移的最大误差为2.6%；基于气浮平台构建了试验系统，理论模型、有限元仿真和物理试验结果均比较接近，说明理论模型准确描述了非约束模态频率随刚柔耦合特性变化的规律。     

用于惯性完备性降价的模态恒等式研究

从P.C.Hughes的研究成果出发,对柔性航天器的模态恒等式及其用于动力学模型降阶的惯性完备性准则进行了严格证明和应用研究。全文详细阐述了柔性核、动量系数、角动量系数、约束模态和非约束模态等物理概念及其相关恒等式的物理意义;并对主要模态恒等式给出了完整证明;推导了航天器基频的估算公式;同时通过算例深入探讨了这些恒等式的工程应用。     

空间站梦天实验舱整器动力学分析和试验研究

空间站研制过程中，获取准确的航天器主要动力学特性有重要意义，整器动力学特性测试是研制过程中一项必不可少的大型试验项目。针对空间站梦天实验舱整器动力学问题，通过建立螺栓—法兰局部连接结构的有限元模型，分析接触状态下刚度随外力的变化关系，分别计算拉压特性下的刚度量级，并采用子结构综合方法，依据部件级模态测试结果得到梦天实验舱整器的动力学特性。结果表明:将螺栓法兰连接刚度等效为双线性弹簧，结合子结构综合预示方法，梦天整器动力学特性的预示具有较高精度。通过连接结构的精细化建模和子结构综合预示，只需进行舱段级模态试验，节省了研制经费、缩短了研制周期，可为空间站及其他大型航天器的研制提供指导。     

固定太阳翼展开后外弯基频的工程计算

太阳翼是航天器电源分系统的重要组成部分。以刚性基板的固定太阳翼为研究对 象,针对航天器总体方案设计阶段的特点,基于“动-势能驻值原理”,将固定太阳翼等效 简化为附集中质量的悬臂梁,并由此推导出固定太阳翼外弯模态基频的近似解析解,提出了 展开后固定太阳翼外弯模态基频的工程近似方法,为今后航天器总体设计人员提供了简单、 可靠的分析方法。
     

航天器子结构模态综合法研究现状及进展

现代航天器结构十分复杂,无论采用计算方法还是试验方法进行分析都是十分艰难的。在这样的研制背景下,子结构模态综合法应运而生。系统地回顾和总结了三大类子结构模态综合法的发展历程和相应的改进,介绍了该方法在航天工程上的应用。采用该方法可极大地提高航天器型号的研制效率。提出了子结构模态综合法面临的问题。     

用多维模态理论分析航天器贮箱液体有限幅晃动力

首次将多维模态理论应用到求解航天工程中常见的圆柱贮箱液体非线性晃动问题中。针对贮箱作水平横向运动，根据Narirrmnov-Moiseev的三阶渐近假设关系，通过选取主导模态以及确定它们的阶次关系，将一般形式的无穷维模态系统降为5维渐近模态系统。在模态系统基础之上，推导出了液体作用于贮箱壁的力的简洁表达式。数值仿真结果表明，相对于线性晃动理论结果，有限幅晃动液体将对贮箱壁产生更大的横向作用力，同时对贮箱底部还作用有明显的纵向力。可将此公式应用于工程实际问题中部分充液贮箱液体有限幅晃动力的估算。     

带挠性附件的航天器系统动力学特性研究

本文研究了带挠性附件的航天器系统动力学特性。带挠性附件的航天器系统建模为刚性主体带挠性附件（挠性附件的末端带有刚性质量），根据拟坐标下的Ｌａｇｒａｎｇｅ定理建立了主刚体姿态运动与挠性附件振动相互耦合的动力学状态方程。针对一类带挠性附件的航天器系统编制了有关计算软件，利用该软件以ＳＣＯＬＥ模型（ＳＣＯＬＥ是ＳｐａｃｅｃｒａｆｔＣｏｎｔｒｏｌＬａｂｏｒａｔｏ－ｒｙＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔ的缩写，其系统构形可参见文献［２］［３］）为例进行动力学分析，我们得到了与ＮＡＳＡ有关报告几乎完全一样的结果。本项研究为一类带挠性附件的航天器控制系统设计提供了一种合适的动力学理论模型。     

含板类柔性附件的充液航天器动力学研究

对含有板类柔性附件和曲壁轴对称充液储腔的复杂航天器系统进行动力学建模和耦合机理研究。首先，采用Kirchhoff-Love薄板理论对航天器的板类柔性附件进行研究，通过D’Alembert原理得到柔性附件的振动方程，运用模态假设法将混合方程转换为常微分方程。其次，通过推导充液航天器储腔内任意点的运动，得到储腔液体的牵连速度势函数，采用Gauss超几何级数得到液体相对速度势函数的解析形式，通过Hamilton变分原理推导液体晃动的运动方程，以及液体速度势函数模态系数的控制方程。最后采用准坐标Lagrange方程得到耦合航天器系统的状态方程，通过数值仿真校验系统动力学模型的有效性。研究结果表明，刚性平台、液体、柔性附件的相互耦合效应使得航天器系统存在复杂动力学行为，在复杂航天器系统动力学建模过程中需要充分考虑液体晃动和柔性附件振动的影响，柔性附件的安装位置对于耦合航天器系统的动力学行为也有着重要影响。     

挠性结构的约束模态及非约束模态解法

针对现代空间飞行器具有大型挠性附件的特点，使用约束模态和非约束模态分别进行求解，建立了带挠性附件的空间飞行器的约束模态模型，使得对挠性结构的控制成为可能。最后计算了几种情况的约束模态和非约束模态频率，验证了本方法的准确性和简便性。     

携带晃动燃料柔性航天器姿态机动中的同宿环分叉研究

本文研究了带液体晃动和柔性附件的耦合航天器系统在液体燃料耗散和柔性附件扭转振动的作用下,经历从最小惯量轴到最大惯量轴姿态机动中的混沌动力学行为.将液体晃动等效为球摆模型并由此建立了带柔性附件充液航天器多体耦合系统动力学模型.首先推导出耦合系统动力学方程并采用Melnikov积分预测受扰系统稳定与不稳定流形是否横截相交,得到了参数形式表达的混沌运动解析判据,这对航天器的设计有重要的指导意义.研究发现,混沌的发生依赖于刚体形状,阻尼比,充液比和扭转振动频率.此外,在经过被动再定向姿态机动后,由于液体晃动的本质非线性特性,充液航天器最终将进行大章动角的周期极限环运动而非绕着最大惯量轴自旋.     

带可收缩挠性附件受控航天器稳定性分析

带可伸缩挠性附件受控航天器在附件收缩过程中可能因为收缩率设计不当导致系统不稳定,本文利用李亚普诺夫稳定性定理,推导出利用姿态角和姿态角速度反馈设计的PD控制律来实现可伸缩挠性附件在收缩过程稳定性控制的充分条件,对设计满足系统稳定性要求的收缩率和控制律具有指导意义。     

考虑推进和气动弹性影响的高超飞行器的建模与控制

针对高超声速飞行器飞行的速度和高度跨度大、变化快,飞行动力学特性复杂;模型具有非线性,强耦合及不确定性的特点,建立了考虑推进及弹性影响的纵向模型,并提出了纵向模型的鲁棒协调控制器设计方法。该方法在典型高超声速飞行器几何结构基础上,针对机体/发动机一体化设计布局,结合高超声速气动力学和气动弹性有关理论,建立非线性纵向模型;通过分析模型的不确定性来源,对刚体-弹性耦合系统设计了基于线性二次型调节器的隐式模型跟随鲁棒协调控制器,从而保证飞行器在不确定干扰情况下的闭环系统稳定性。仿真结果表明,本方法所设计的控制器在给定的不确定性范围内具有良好的鲁棒性。
     

带挠性附件航天器刚柔耦合动力学

针对有板式挠性附件的航天器，根据几何变形约束法引入有限元方法，用Lagrange方程建立系统的刚柔耦合一次近似动力学方程组。在动力学方程中获得了与大范围刚体运动有关的动力刚度项。仿真结果表明，在柔性体大范围运动时动力刚度项的影响较大，忽略动力刚度项的传统动力学建模方法会给出错误结论。     

基于拉索的航天器挠性部件在轨增频技术研究

航天器上的太阳电池阵等挠性部件基频较低、低频模态密集,可能会与器上活动部件产生耦合和共振,对航天器姿态及载荷工作等产生不良影响。针对此问题,文章提出用主动张紧拉索装置来调节挠性部件的频率。在调研国内外技术的基础上,分析了悬臂梁模型中支撑刚度对系统模态的影响,建立拉索增频的动力学模型并进行仿真;依据原理性试验仿真结果,设计了器上增频机构,并完成了相关地面试验验证和在轨飞行验证。本研究对于航天器挠性部件的增频和错频等技术措施的实施具有参考价值。     

具有角动量存贮挠性飞行器大角度姿态机动的非线性控制

本文采用欧拉四元数、姿态角速度和振型模态坐标、建立了具有角动量存贮挠性飞行器姿态动力学的奇异摄动非线性模型。讨论了系统的慢流形降阶和校正控制方法,给出了非线性退化系统的全局线性化公式。文中还介绍了数字仿真实例和结果。