超大柔性空间结构姿态振动耦合稳定性分析

针对太阳帆塔等细长结构的空间太阳能电站构型，以圆轨道内平面运动的空间柔性梁为研究对象，在质心浮动坐标系下，基于Hamilton原理建立了姿态运动与弯曲振动的耦合动力学模型。引入简谐形式的姿态运动假设，并验证了假设的合理性。基于此假设，分析了姿态运动与重力梯度对弯曲振动的第一阶频率的影响，重力梯度项的影响为简谐波动形式，而姿态运动使得弯曲振动频率降低，两者作用均随初始姿态角增大而增强。同时，推导了Mathieu方程形式的模态振动方程，并利用小参数摄动分析方法，得到了不同初始姿态角下的弯曲振动的稳定图，发现当初始姿态角越大时不稳定区域就越大。     

卫星姿轨控制对大型柔性索网天线在轨指向影响分析

文章针对星载天线大尺寸、大柔性，引起卫星姿轨控时卫星本体姿态运动与柔性天线自身弹性变形相互耦合，进而导致天线指向精度下降的问题，提出了一种计算卫星姿轨控制引起的大型柔性天线在轨波束指向偏差的计算方法。首先，结合有限元法和混合坐标法，通过理论推导，建立了卫星与大型柔性索网天线刚柔耦合动力学模型；然后，以某在轨成像卫星东西位保为例，通过有限元法对该柔性索网天线进行模态分析，得到描述天线弹性振动的模态矩阵与质量矩阵，结合天线的模态矩阵、质量矩阵及天线与卫星本体的坐标转换关系，得到天线振动相对于星本体坐标系的平动耦合系数与转动耦合系数，再与星本体的刚体运动参数组合起来，求解卫星天线刚柔耦合动力学模型，即可得到天线实际振动位移。最后，根据天线实际振动位移进行天线型面拟合，并选取其最差型面进行了天线电波束指向仿真。仿真结果表明，天线方位向的波束指向偏差最大为0.0576°，可为天线在轨指向设计提供依据。该算法同样适用于卫星其他姿轨控制工况。     

柔性太阳帆轨道-姿态-弹性振动耦合效应研究

建立了柔性太阳帆轨道、姿态、弹性振动耦合的动力学降阶模型。分析该模型在地心大偏心率椭圆轨道的动力学表明:太阳光压力是太阳帆轨道产生偏差的主要原因,且太阳光压力会引起太阳帆姿态的剧烈变化和柔性结构的大幅振动,同时太阳帆的结构振动会对其姿态造成累积偏差。研究发现,太阳帆在空间的运行是一个轨道、姿态、弹性振动三方面强烈耦合的复杂问题。     

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.     

挠性航天器刚性-柔性耦合动力学模型控制方法

针对挠性航天器本身大范围刚性运动和携带载荷进行动态变形运动的耦合问题,建立一种动力学刚性-柔性耦合模型运动控制方法。该方法通过计算航天器所受的惯性力来推导挠性梁等效弯曲刚度,建立一个物理意义明晰并且耦合度低的动力学模型,能够全面分析对挠性梁的各种耦合干扰影响。仿真结果表明,建立的刚性-柔性耦合动力学模型能够对挠性梁进行全面控制分析,并通过调整相关参数有效控制耦合干扰项对挠性梁振动的影响。     

重力梯度对自由漂浮空间机器人姿态扰动分析

分析重力梯度对在轨运行的自由漂浮空间机器人姿态运动影响。由Lagrange方法建立自由漂浮空间机器人受重力梯度扰动的非线性动力学模型。首先,考虑无控关节自由状态,分析重力梯度对关节运动的影响。其次,利用相平面轨迹分析重力梯度对自由漂浮系统姿态运动影响。最后,由速度偏差曲线分析重力梯度对机械臂的影响。结果表明,当作用时间接近轨道周期或更长时,重力梯度引起的关节偏差已十分显著,且这种扰动作用主要由轨道偏心率决定;关节锁定时俯仰姿态受扰运动有周期振动与翻滚两种形式,若初始角速度满足一定限值可以保证俯仰运动不发生翻滚;当机械臂长时间工作时,忽略重力梯度将产生明显的末端定位误差。     

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。     

UltraFlex太阳翼有序展开动力学建模与分析

针对刚柔耦合的圆形薄膜UltraFlex太阳翼结构动力学建模与分析困难、微重力下薄膜运动复杂和展开精度要求高的问题，搭建了UltraFlex展开动力学数值分析模型，分析了扭簧和绳索驱动下UltraFlex的有序展开动力学特性。基于绝对坐标方法建立包含柔性附件和柔性薄膜的UltraFlex动力学模型，采用两步检测算法处理薄膜间的复杂接触碰撞问题，利用扭簧逐步释放扭矩的方法驱动结构有序展开，通过控制绳索释放速率的方法完成移动箱板的转动规划和限位跟踪，提高展开位置精度。将该展开驱动策略运用到NASA实际样机尺寸的UltraFlex分析模型中，仿真结果表明该展开策略能够使得UltraFlex结构高精度、有序、稳定地展开；绳索始终处于张紧状态，最大拉力为62.5N；薄膜展开过程复杂，重复出现张紧、回弹的现象，最终趋于稳定。     

刚柔耦合系统神经网络跟踪控制方法研究

针对刚柔耦合系统的姿态跟踪及振动抑制问题,采用一次近似动力学模型,提出了一种神经网络控制方法.典型刚柔耦合系统由一个中心刚体和带有末端质量块的柔性附件组成,假设系统参数未知并且截断模型具有任意的有限维.该方法利用多层神经网络补偿系统非线性项及未建模动态,利用其自学习和自适应能力,降低不确定性因素对系统产生的影响;并且控制器只利用姿态角和角速度信息进行反馈控制,不需要知道柔性附件振动信息.理论分析和实验结果表明该方法使闭环系统所有信号一致最终有界,能有效地使系统完成姿态跟踪,而且能显著地减少柔性结构的弹性振动.     

固体捆绑火箭姿控系统建模与设计研究

针对固体捆绑火箭复杂空间模态对姿控系统的影响问题,推导建立了新的姿态动力学模型,分析了弹性振动对三通道姿态运动的影响并采用逆Nyquist阵列法进行了姿控系统设计。首先建立了新的固体捆绑火箭姿态动力学模型,模型中基于有限元法导出了弹性振动方程,这是与传统模型最主要的区别。然后针对弹性振动引起的三通道姿态运动间耦合问题,分析了耦合的强弱,采用逆Nyquist阵列法设计了控制器。最后通过时域仿真验证了方法的可行性。结果表明,虽然结构上捆绑火箭芯级和助推之间纵、横、扭耦合比较明显,但引起的三通道间耦合却比较弱,被控模型在设计频段内具有明显的对角优势性质。采用逆Nyquist阵列法设计的控制器是可行的,仿真结果满足工程要求。     

绳系空间太阳能电站动力学响应分析

利用绝对节点坐标方法研究绳系空间太阳能电站在轨飞行的太阳能电池板动力响应。通过勒让德变换引入广义动量,在约束哈密尔顿体系下建立轨道、姿态和弹性振动耦合的动力学方程。基于祖冲之类方法的思想,结合辛龙格-库塔方法对微分-代数方程进行数值求解。数值算例说明本文建模方法和数值算法都是有效的,能很好地保持系统约束和能量。最后分析了绳长、平台系统的质量、轨道高度对于梁中点挠度和轴向平均应变的影响。     

空间太阳能电站的准对日定向姿态

针对空间太阳能电站的俯仰姿态运动，提出一种能追踪太阳运动的准对日定向(QSP)姿态方案。此方案的太阳能电池阵列在万有引力梯度力矩的作用下，始终在垂直于太阳光的方向附近作幅值约为18.8°的振动，且几乎不需要姿态控制力矩。准对日定向姿态方案解决了大型太阳能电池阵列对日定向所需的巨大俯仰姿态控制力矩问题。准对日定向姿态的发电效率为对日定向姿态的97.3%，对Abacus空间太阳能电站而言每年可节省燃料约36791 kg。通过数值方法得到了准对日定向姿态的精确初始条件。随后，设计了比例-微分控制器，保证了系统存在初始姿态误差的条件下收敛到准对日定向姿态。最后研究了轨道、姿态和结构振动对准对日定向姿态的影响，并发现准对日定向姿态下的结构振动幅值比对日定向姿态减小约40倍。     

基于磁力矩定向阻尼特性的卫星姿态磁控制

根据磁力矩在地磁场中的定向阻尼特性，提出了磁控重力梯度和有阻尼器的非重力梯度卫星姿态控制律。给出了卫星姿态运动方程，并证明采用两种方法控制卫星姿态的稳定性。根据地磁场强度变化规律选择控制系数。理论分析和仿真结果表明，基于磁力矩定向阻尼特性的卫星姿态磁控制方法简单、精度较高。     

一种挠性航天器的对偶四元数姿轨耦合控制方法

为解决复杂的挠性航天器的姿轨控制问题,对于挠性航天器的姿轨耦合动力学建模与控制展开研究。基于对偶四元数原理,推导给出一套挠性航天器的姿轨一体化动力学模型。此种模型能够紧凑描述航天器的轨道和姿态,且能够自动引入航天器平动、转动与挠性附件振动三者之间的关联耦合作用。基于此模型设计了一种自适应位置姿态跟踪控制器,该控制器能够在航天器质量特性参数未知的情况下,对其位置和姿态进行轨迹跟踪控制,并使位置和姿态误差收敛。该自适应控制器还可对航天器上挠性附件对系统的耦合作用进行估计,进而在控制输出中对其进行补偿,提高卫星控制系统的稳定性。通过仿真对控制律进行校验,结果表明该控制律对挠性航天器控制效果良好,具有一定的工程应用参考价值。     

多自由度振动环境下惯组非线性传递特性研究

惯组作为飞行器姿控系统的传感器,其局部安装结构的传递特性的测量精度直接关系到导航精度。目前,惯组普遍使用减振器进行隔振,而减振器都呈现出较强的非线性特征。为了考察惯组在不同工况下的传递特性,将惯组简化为六自由度Duffing模型,推导了基础激励下系统的运动微分方程,并用龙格-库塔法对方程进行求解,分析了自由衰减振动和强迫振动下不同工况的系统传递特性。结果表明,多自由度激励比单自由度激励工况得到的系统传递特性的频率和幅值都低。考虑到惯组真实的使用环境,应当在多自由度振动环境下进行传递特性试验。     

瞬变流速作用下姿控发动机燃料管路的非线性振动特性分析

为研究瞬变流速激励下某型卫星姿控发动机燃料输送管路的非线性振动特性,采用加权余量法和四阶Runge—Kutta法对燃料输送管路的非线性液固耦合振动模型进行了数值仿真,研究不同燃料流速下、电磁阀开关时长对燃料管路非线性振动稳定性的影响.仿真结果表明,依据管路特征线可将管路振动分为稳定振动区和不稳定振动区,且不稳定振动主要...     

带挠性附件的航天器结构-姿态耦合动力学

用Lagrange方程建立了基于混合坐标法的带挠性附件航天器结构-姿态动力学模型,对挠性附件结构的振动特性及其与航天器的耦合关系进行了理论分析,提出了航天器结构-姿态联合仿真分析的方法,并以某卫星天线为挠性附件结构,仿真分析了天线结构的振动特性及其对姿态控制系统的影响.结果表明:提出的航天器结构-姿态联合仿真方法能有效...     

Structural control interaction for an LSS attitude control system using thrusters and reaction wheels

This work provides some important information about control structure interaction (CSI) for a large space structure (LSS) attitude control subsystem (ACS) comprised of thrusters and reaction wheels. The LSS physical model is assumed as a rigid long tubular beam as the main bus with two attached long flexible solar panels. Two thrusters (one at each tip of the LSS) are used for large amplitude maneuvers and the reaction wheels for fine control. Lagrange's formulations for generalized and quasi-coordinates were used to derive the equations of motion. The gravity gradient, the solar pressure and the drag were included in the mathematical model as external perturbations. The assumed modes discretization method has been used to model the solar array elastic displacements so as to obtain a set of ordinary differential equations to describe the LSS motion. Different control strategies were implemented to analyze the CSI for two configurations, fine and coarse control. The MatLab/Simulink platform has been used for the computational simulations. The results are in agreement with the CSI theory in that thruster firings excite the solar panel vibrations and that the elastic vibration is an important issue to be taken into account for LSS ACS performance evaluation for both fine and coarse control. In spite of the CSI the maneuver objectives have been accomplished with results that meet the mission criteria.     

General background and approach to multibody dynamics for space applications

Multibody dynamics for space applications is dictated by space environment such as space-varying gravity forces, orbital and attitude perturbations, control forces if any. Several methods and formulations devoted to the modeling of flexible bodies undergoing large overall motions were developed in recent years.Most of these different formulations were aimed to face one of the main problems concerning the analysis of spacecraft dynamics namely the reduction of computer simulation time. By virtue of this, the use of symbolic manipulation, recursive formulation and parallel processing algorithms were proposed. All these approaches fall into two categories, the one based on Newton/Euler methods and the one based on Lagrangian methods; both of them have their advantages and disadvantages although in general, Newtonian approaches lend to a better understanding of the physics of problems and in particular of the magnitude of the reactions and of the corresponding structural stresses. Another important issue which must be addressed carefully in multibody space dynamics is relevant to a correct choice of kinematics variables. In fact, when dealing with flexible multibody system the resulting equations include two different types of state variables, the ones associated with large (rigid) displacements and the ones associated with elastic deformations. These two sets of variables have generally two different time scales if we think of the attitude motion of a satellite whose period of oscillation, due to the gravity gradient effects, is of the same order of magnitude as the orbital period, which is much bigger than the one associated with the structural vibration of the satellite itself. Therefore, the numerical integration of the equations of the system represents a challenging problem.This was the abstract and some of the arguments that Professor Paolo Santini intended to present for the Breakwell Lecture; unfortunately a deadly disease attacked him and shortly took him to death, leaving his work unfinished. In agreement with Astrodynamics Committee it was decided to prepare a paper based on some research activities that Paolo Santini performed during almost 50 years in the aerospace field. His researches spanned many arguments, encompassing flexible space structures, to optimization, stability analysis, thermal analysis, smart structure, etc. just to mention the ones more related to the space field (Paolo Santini was also one the pioneers of the studies of composite wing structures, aeroelasticity and unsteady aerodynamics for aeronautical applications). Following notes have been prepared by Paolo Gasbarri who was one of Paolo Santini collaborators for almost 15 years, they will attempt to offer a sketch of Professor Santini's activity by focusing on three main topics: the stability of flexible spacecrafts, the dynamics of multibody systems and the use of the smart structure technology for the space applications.