带飞轮的充液摆的稳定性

带飞轮的充液摆的稳定性包光伟（上海交通大学工程力学系,２０００３０）关键词充液刚体动力学,液体晃动,运动稳定性,航天器动力学一、引言研究三轴定向充液卫星的姿态稳定性,在不考虑系统质心横向运动的情况下,一个较为简单的力学模型是充液摆作定点摆动的模型．对...     

双储箱液体自衰减晃动分析

航天器在轨运行过程中,液体燃料晃动是破坏航天器稳定性、威胁航天任务安全性的主要因素之一.为此,有必要对液体燃料晃动进行研究.自衰减晃动是一种常见的液体晃动.本文主要针对双并联圆柱形储箱内液体自衰减晃动动态特性进行研究,以有限体积法为计算方法,采用两相层流模型,分析了不同重力环境下,液体燃料晃动对储箱侧壁面及底面作用的晃动力、力矩和波高随时间变化的特性,进而计算出液体晃动等效力学模型的相关参数.采用解析法推导了等效力学模型参数的计算公式,将有限体积法所得仿真解与解析解进行对比分析,证明了双储箱液体晃动仿真计算的可行性,为携带多储箱充液航天器的动力学分析提供了一定的理论基础.      

挠性充液航天器超近程逼近段动力学建模与控制

超近程逼近过程中,服务航天器为刚柔液耦合的复杂系统,单摆等液体晃动模型不再适用,对这种工况下的航天器进行了动力学建模与控制的研究。采用虚功率原理推导了一种新的适用于三轴推力作用下的液体晃动等效模型,通过引入相对位置导引矢量与相对位置误差矢量,建立了相对轨道误差动力学模型,结合相对姿态动力学模型,得到超近程逼近段的刚柔液耦合的相对轨道姿态动力学模型。针对模型存在的不确定性和未知干扰,设计了基于滑模估计器的相对姿轨耦合控制律。通过数学仿真验证了控制律的有效性,仿真中的晃动结果与Flow-3D结果能够吻合,验证了晃动模型的合理性。     

充液航天器大角度机动自适应无源控制

研究了基于自适应无源控制的三轴稳定充液航天器大角度姿态机动问题.将液体晃动等效为黏性球摆模型，利用动量矩守恒定理推导出充液航天器耦合动力学方程.针对陀螺故障及无陀螺配置导致航天器姿态无角速度测量的情况，同时考虑存在外部未知干扰、转动惯量不确定性以及液体晃动位移不可测量的特性，设计自适应输出反馈无源控制，其中自适应更新律用于补偿外部未知干扰和估计液体晃动的位移变量.利用Lyapunov方法和LaSalle不变引理，证明该控制律不但可以保证闭环系统渐进稳定，而且可以保证二个期望平衡位置均达到稳定.仿真结果验证了本文控制方法的有效性.      

充液航天器目标跟踪自适应控制

对于在零重力环境下受到横向控制力和俯仰控制力矩作用的带球形贮液箱的航天器模型,研究了其在平面运动的动力学特性.将晃动液体等效为单摆模型,利用Lagrange方法建立了系统动力学方程并且将其转化为状态变量方程形式;应用微分几何原理,以单输入—单输出系统（SISO）为例,研究了系统的非线性动力学特性,并进一步针对目标跟踪问题设计了SISO系统基于线性化模型的控制策略.研究结果表明：对于液体晃动-航天器姿态耦合动力学系统采用极点配置间接自校正控制策略能够实现姿态角的镇定及跟踪.     

带多个充液贮箱航天器的自旋稳定性

本文研究带多个充液贮箱航天器的自旋稳定性问题,考虑了刚体相对于系统质心的平动、姿态、液体晃动三者的相互耦合作用,通过建立离散系统的动力学方程,导出了系统的自旋稳定性判据.      

三维充液航天器的位置和姿态联合控制

考虑充液月球着陆器悬停避障阶段的控制问题,采用三维球摆作为液体晃动部分的等效模型.针对球摆与刚体耦合的三维动力学模型,给出动力学模型的矢量方程及各矢量在本体系的投影坐标,设计位置和姿态联合控制器.所设计的控制器可以稳定航天器刚体的位置和姿态,且只依赖刚体的位置和姿态,不依赖晃动角或者动力学方程,利于工程应用.利用LaSalle不变原理分析闭环系统的稳定性,给出期望姿态为竖直时系统渐近稳定的控制器参数选择依据.最后数值仿真验证控制方法的有效性.     

充液挠性航天器姿态机动终端滑模控制

对存在未知外界干扰、参数不确定问题的刚–液–柔多体耦合航天器姿态控制进行了研究。将液体燃料的晃动等效为球摆模型，挠性附件假设为欧拉–伯努利梁，运用拉格朗日方法建立航天器的动力学方程。将外界干扰、航天器转动惯量的参数不确定性以及液体晃动和挠性附件振动带来的耦合干扰归结为集总干扰，设计干扰观测器对其进行补偿；在干扰观测器的基础上，设计一种模糊滑模控制律。在原有的终端滑模控制基础上采用模糊控制对切换增益进行改进，达到抑制系统抖动的目的。数值仿真结果表明：所设计的模糊终端滑模控制律不仅能够实现充液挠性航天器的姿态机动，而且能够有效抑制液体晃动和挠性附件的振动，具有更好的控制性能。     

大容量推进剂贮箱液体晃动性能试验

对某种内带推进剂管理装置（PMD）的大容量推进剂贮箱内液体晃动性能进行试验.开展不同充液比工况下空壳贮箱液体晃动试验,分析比较晃动试验结果与采用等效动力学模型的液体晃动理论计算结果,两者结果一致吻合,试验系统可靠性和理论模型的正确性得到良好验证.然后开展了不同充液比工况下内带PMD贮箱液体晃动试验,试验结果表明贮箱内液体晃动性能受内部PMD结构影响明显.该试验研究结果为运载火箭和卫星的姿态和轨道控制系统的设计优化提供重要参考和数据支撑.     

充液挠性航天器的建模与动力学分析

借助于Kane方法建立了充液中心刚体上带有挠性附件的航天器的开链多体动力学模型.采用了混合坐标法和弹簧-质量块液体晃动等效力学模型,所得方程形式简洁.由于引入了2级附件,该模型具有更强的通用性.以跟踪与数据中继卫星为例,给出了数值仿真结果.      

Adaptive predefined-time control for liquid-filled flexible spacecraft attitude stabilization during orbit maneuver

A predefined-time attitude stabilization for complex structure spacecraft with liquid sloshing and flexible vibration is investigated under input saturation during orbital maneuver. First, the attitude dynamics model of liquid-filled flexible spacecraft is constructed. Meanwhile, the influence of solar panel vibration and liquid sloshing is treated as a disturbance in the controller design. Next, an adaptive predefined-time control scheme is proposed by applying sliding mode control theory. A predefined-time convergent sliding surface and reaching law are designed to ensure the predefined-time fast convergence rate. Furthermore, a novel adaptive algorithm is developed to handle the disturbances from liquid sloshing and flexible vibration, ensuring that the system converges to a small neighborhood of the equilibrium. Additionally, a new auxiliary system is constructed to deal with the effects of input saturation. At last, one simulation case is performed to verify the feasibility and advantages of the proposed algorithm.     

事件触发机制下的充液航天器姿态控制

针对液体大幅晃动、通信资源受限的充液航天器姿态控制系统，提出一种自适应滑模控制与事件触发机制相结合的控制策略。首先，针对固-液耦合的充液航天器姿态控制系统，选用滑模变结构控制来削弱液体大幅晃动的非线性影响，并设计自适应更新律在线估计不确定参数来提高系统的鲁棒性。然后，考虑星载计算机资源的限制，设计相对阈值的事件触发机制来决定控制输入信号的更新，从而减少控制器与执行器之间的信号更新对通信网络的占用。最后，仿真结果表明，在液体大幅晃动下，所提控制策略不但可以使航天器姿态控制系统最终收敛到任意小的界内，而且可以减少96%的控制信号传输，减轻航天器的通信负载。      

Validation of a Compression Mass Gauge using ground tests for liquid propellant mass measurements

To properly estimate orbital lifetimes and predict the maneuverability of spacecraft, the remaining liquid propellant mass must be accurately known at every moment of a space mission. This paper studies the Compression Mass Gauge (CMG) method to determine the mass of liquid contained in a tank in a low-gravity environment with high accuracy. CMG is a thermodynamic method used to determine the quantity of liquid by measuring the gas pressure change when the tank volume changes, and has been previously theoretically and experimentally studied by researchers. The primary objective of this investigation is to explore the effects of attitude disturbance and the spacecraft thermal environment on the accuracy of the method. A ground test system, consisting of several test apparatuses, was fabricated and described as part of this study. The test results and analyses indicate that the CMG performs well and has an accuracy of ±1%. Additionally, demonstrations were performed to show that measurement errors do not increase drastically or exceed ±1% when the test system is vibrated to simulate the tank being perturbed as a result of an attitude disturbance. Liquid sloshing resonance was found to have a significant effect on the gauging accuracy. Measurements in a real thermal environment in which heat transfers into and out of the propellant tank were also conducted. The results show that the gauging accuracy is acceptable for normal liquid propellant. Furthermore, theoretical research shows that heat leakage has a significant influence on cryogenic propellant mass gauging.     

卫星闭环姿控下的双组元四贮箱液体晃动联合仿真研究

首先介绍了基于UDP通讯协议实现的贮箱液体晃动联合仿真方法.该方法采用FLUENT计算运动贮箱的液体晃动力、力矩、质心结果，星体动力学程序在获取贮箱晃动结果后通过控制算法和策略计算星体运动的线速度和角速度.两者之间的双向数据交换，通过C/C++语言开发的通讯接口来实现.然后借助上述联合仿真方法，开展了贮箱晃动联合仿真分析，并与在轨遥感数据进行了对比，然后分析了俯仰0~25°机动工况的4贮箱液体晃动特性，最后对比分析了带孔和无孔叶片在星体动力学控制下的液体晃动特性.非沿轨迹工况下，2、3号贮箱的晃动力和力矩峰值大于1、4号贮箱，4个贮箱的Y向晃动力峰值在1.05~1.96 N，力矩值在0.05~0.36 N·m；带孔叶片对液体的搅动作用要弱于无孔叶片.无孔叶片搅动的气泡出现了明显的拉伸与离心运动，并导致更大的流体流动速度.     

月球软着陆器动力学建模研究

建立准确、实用的月球着陆探测器动力学模型,是制导、导航和控制系统方案设计中的首要工作,文中月球软着陆探测器的推进剂贮箱采用横向对称分散布局的形式,并分析了布局方式对液体推进剂晃动的影响;将贮箱内液体考虑一阶弹簧质量模型,应用虚功率原理建立包含液体推进剂晃动的月球软着陆探测器从动力下降段至最终着陆段的动力学模型,并对动力学下降段进行了数值仿真,仿真结果可为月球软着陆探测器控制系统设计提供理论参考。