非线性能量阱对飞轮振动抑制效果的实验研究

利用薄片金属梁作为非线性刚度元件，构建一种非线性能量阱。为了验证非线性能量阱对飞轮振动特性的抑制效果，搭建地面飞轮测试系统。分别采用力锤敲击和飞轮以恒定转速运行的方法施加不同载荷，对安装非线性能量阱前后测试系统各典型位置的振动响应进行对比研究。利用实测数据，采用傅里叶变换方法将动态响应信息分别在时间域和频率域内展开。研究表明：力锤敲击产生的冲击载荷和飞轮以恒定转速运行产生的稳态载荷均可以激发非线性能量阱定向能量传输；受非线性能量阱的影响，柔性支架设备安装面和飞轮安装面振动响应得到有效抑制。但是，由于非线性能量阱阻尼和吸振子质量较小，不同程度削弱了其振动抑制效果。     

基于非线性能量阱的双共振峰振动抑制的力学特性研究

非线性能量阱是一种可实现高效振动抑制的非线性吸振器。为了将其应用于宽频振动抑制问题,文章构造了一个由单自由度非线性能量阱和两自由度减振对象组成的系统,以研究非线性能量阱对双共振峰的振动抑制效果。结合系统特点,提出使用增量谐波平衡法分析系统共振峰附近的平衡点分布,并应用Floquet理论对平衡点的稳定性进行了判断,由此揭示了该系统局部分岔现象带来的复杂力学特性。为了验证解析结果,还进行了数值计算。研究结果表明非线性能量阱在正弦激励作用下具有良好的宽频减振效果,在航天器局部振动抑制方面具有良好的应用前景。     

飞轮姿控小卫星模糊控制方法研究

对三轴稳定飞轮姿控小卫星的模糊控制方法进行了研究。不考虑解耦运算,基于模糊控制,以姿态角偏差及偏差变化率为输入,飞轮转动角加速度为输出,在每个通道分别加入模糊控制器,实现了对小卫星滚转、俯仰和偏航通道耦合系统的有效控制。仿真结果表明:该法对干扰抑制明显、对结构参数变化不敏感,响应过程有良好的快速性和较高的稳态精度(可达1×10-4rad),可避免传统方法中对动力学方程的直接解耦操作,应用时可将模糊控制规则转化为控制表储存在星载计算机,简单高效。     

考虑星-箭动力耦合作用结构瞬态响应分析

利用直接激励法，对火箭发射过程中考虑星箭动力耦合作用的卫星结构瞬态响应问题进行了求解。给出了最大动压、一二级分离前和分离后三种工况下卫星结构的加速度响应历程。该方法克服了大质量法和惯性载荷法瞬态响应计算中的载荷处理困难和数据回归困难。文中给出了大质量法、直接激励法和惯性载荷法的动力学方程，指出各种方法的应用条件。计算结果表明，直接激励法简捷实用，优于惯性载荷法和大质量法。     

航天器火工分离螺母的火工冲击环境数值仿真研究

为了研究航天器分离时火工分离螺母产生的火工冲击环境特性,了解火工冲击载荷的机制和特点,直观观测应力波在结构材料中的传播过程,使用LS-DYNA非线性有限元程序模拟了火工分离螺母的动态分离过程,给出了典型响应及输出载荷,并通过火工分离螺母-结构一体化仿真得到了星箭界面载荷,为航天器火工冲击环境防护设计提供更加真实的输入条件。     

双超敏捷卫星载荷舱扰动补偿研究

文章针对动静隔离式双超敏捷卫星载荷舱存在活动部件时，载荷舱指向精度下降的问题，依据双超敏捷卫星的特点，对双超敏捷卫星载荷舱进行了扰动补偿研究。首先，建立了载荷舱活动部件扰动模型以及双超敏捷卫星模型，扰动包括反作用飞轮小幅值高频随机扰动和摆镜扫描大幅值规律性扰动；然后，在采用飞轮扰动被动隔振和摆镜扫描主动补偿的基础上，利用双超敏捷卫星磁浮机构带宽高的特点进行二次主动隔振。仿真结果表明：在进行飞轮扰动被动隔振以及摆镜扫描扰动主动补偿后，载荷舱的指向精度提高到6×10-3（deg）；磁浮机构进行二次主动隔振后，载荷舱的指向精度提高到2×10-4（deg）。该方法为双超敏捷卫星载荷舱受扰时指向精度下降问题提供解决思路。利用磁浮机构不仅可以隔离平台舱的扰动，而且可以提供高带宽主动控制力来抑制载荷舱的扰动。但在具体实施过程中还需考虑载荷舱与平台舱之间的碰撞问题。     

两条流体力传递途径下涡轮泵壳体振动特性

液体火箭发动机涡轮泵内非定常流体力主要通过流体—壳体以及流体—转子—支承—壳体两条传递途径激励壳体发生振动,对发动机的安全可靠性造成威胁。为获得流体激励下涡轮泵壳体振动特性,建立了两条流体力传递途径下涡轮泵壳体振动响应定量预测方法,利用发动机热试车结果对预测方法的精度及可靠性进行了验证。在此基础上获得了不同途径下涡轮泵壳体的振动特性。结果表明:所建立的涡轮泵流体激励壳体振动预测方法能够较好地预测壳体振动响应主导频率及幅值,主频幅值误差小于13.85%;壳体的最大振动能量源自于泵内动静干涉非定常流动与壳体结构之间的相互作用;流体—壳体途径是涡轮泵流体激励壳体振动的主要来源,其引起的壳体振动响应幅值相比流体—转子—支承—壳体传递途径大2个量级以上。     

大型空间可展开结构热致振动研究

搭载高精度光学载荷的空间飞行器在进出地球阴影区时,飞行器上处于展开状态的太阳帆板因剧烈的温度变化会诱发振动问题。本文采用有限元法,首先对太阳帆板进行在轨进出阴影区瞬态温度求解;然后基于卫星-太阳帆板整体动力学模型,将时变温度场等效为时变热载荷加载到整星系统上,对整星系统的热致振动动力学响应进行了数值模拟。结果表明:处于地球同步轨道的卫星-帆板在进出阴影区时,太阳帆板的温度变化较大,温差最高达到200℃;时变热载荷导致帆板结构和卫星姿态发生明显的振动响应。该方法可以合理地预测大型空间可展开系统热扰动响应。     

非线性约束的大型旋转火箭瞬态响应模拟

以大长径比、旋转无控火箭为研究对象，探讨弹-架非线性约束系统的发射动力学响应。将火箭模拟为支承、变刚度柔性转子，发射装置则简化具有弹性约束的Euler-Bernoulli，二者通过非线性弹性元件相耦联。数值模拟发射过程中的火箭瞬态响应，分析了系统特性对火箭姿态的影响。     

高分多模卫星微振动抑制设计与验证

敏捷型遥感卫星在轨运行期间,星上控制力矩陀螺等扰动源会引起微振动,微振动传递到高分辨率相机等敏感载荷会影响载荷性能,进而影响卫星成像质量,因此需对传递到敏感载荷的微振动进行抑制,以保证卫星高分辨率指标的实现。以高分多模卫星(GFDM-1)的微振动抑制需求为背景,确定了整星微振动抑制技术路线与微振动抑制总体方案,开展了扰动源特性研究,完成了扰动源、星体结构和敏感载荷的减隔振设计与验证,并通过星载微振动测量设备对相机等关键位置的在轨微振动响应进行了测量,对卫星微振动抑制方案进行了飞行验证。在轨微振动测量数据表明:高分多模卫星微振动抑制方案可有效满足敏感载荷相机的微振动抑制需求,可为我国后续敏捷遥感卫星的微振动抑制设计与验证提供参考。     

瞬态热载荷下热障涂层系统界面断裂研究

瞬态热载荷是航空、航天发动机及重型燃气轮机热端部件热障涂层系统的典型服役工况,对涂层的剥离失效有着显著影响。研究了含单边界面裂纹热障涂层系统在瞬态热载荷作用下的裂纹扩展驱动力,考察了不同材料和物理参数对瞬态热载荷下热障涂层系统界面断裂行为的影响规律。研究表明,相对于稳态热载荷而言,瞬态热载荷工况尤为恶劣,会显著影响涂层的界面断裂行为,明显增大界面裂纹裂尖能量释放率,进而会引起热防护涂层的快速剥离。     

带有输入非线性的挠性航天器姿态机动变结构控制

针对挠性航天器反作用飞轮输入力矩受限情况下的姿态机动问题，提出了一种仅利用输出信息的变结构输出反馈控制方法。在基于非线性和低阶模态的动力学模型基础上，给出了滑模存在条件以及变结构输出反馈控制器设计的方法，并保证闭环系统渐近稳定；另外，为了避免确定不确定性和外干扰界函数上限的困难，又给出了一种自适应变结构输出反馈控制器的设计方法，并基于Lyapunov方法分析了滑动模态的存在性及稳定性。最后，将本文提出的两种控制方法应用于三轴稳定挠性航天器的姿态机动控制，并进行数值仿真研究。仿真结果表明：在反作用飞轮的控制受限条件下，完成姿态机动的同时，使得挠性附件的振动幅值远远小于0．001，有效地抑制挠性附件的振动。     

复杂航天器结构火工冲击环境预示方法研究

针对复杂航天器结构在宽频、瞬态火工冲击载荷激励下其响应难以预示的问题，以某型复杂卫星结构为研究对象开展了火工冲击环境预示方法研究。首先，推导了基于加速度频响函数(FRF)的虚拟模态综合法(VMSS)的理论公式。对于复杂卫星结构各子系统动力学特性存在较大差异的特点，建立了有限元-统计能量分析（FE-SEA）混合模型，并进行响应计算，获得了加速度频响包络曲线及模态数曲线，为虚拟模态综合法的响应预示提供输入。然后，对复杂卫星结构推进舱底板和侧板的火工冲击响应进行了计算分析。最后，将计算结果与整星火工分离冲击试验结果对比发现两者基本保持一致。研究结果表明，联合FE-SEA混合建模技术和虚拟模态综合法能够对复杂卫星结构火工冲击环境进行较为精确地预示。     

一种微型航天器姿态控制系统建模与分析

从航天器微小型化的角度出发，提出了仅利用两个飞轮进行航天器姿态控制的飞轮配置方案。该方案还可以对高速旋转的飞轮所储存的能量进行管理，不需要磁力矩器等额外的卸载装置，从而简化了飞轮姿态控制系统的结构。详细描述了系统的结构和工作原理，推导了航天器姿态控制系统的非线性动力学模型，分析了影响航天器姿态机动性能的主要因素，并通过仿真验证了这种配置方案的有效性。     

空间机器人抓捕碰撞分析与轨迹规划镇定控制

针对空间机器人抓捕目标过程中产生的碰撞冲击问题,分析了抓捕瞬态碰撞对机器人系统产生的影响,提出了一种控制力矩能量消耗少、对卫星平台基座扰动小的镇定控制方法,实现了对抓捕目标后组合体系统的镇定控制。首先,利用Kane方法建立了抓捕后的目标-机械臂-卫星平台组合体动力学模型;其次,利用ADAMS软件分析了瞬态碰撞冲击对空间机器人系统的影响,为后续镇定控制策略的设计提供初始仿真参数;采用四次多项式实现了机械臂关节空间轨迹的参数化,设定了基于控制力矩能量与基座扰动的加权目标函数,利用差分进化算法(DE)求解得到满足控制力矩能量消耗小、平台基座扰动少的机械臂关节空间轨迹。最后,利用七自由度空间机器人的数值仿真,验证了所提出方法的有效性。     

航天器姿控发动机真空羽流场计算及其扰动分析

航天器姿态控制发动机工作期间,产生的羽流扰动力矩会影响控制精度,对流和辐射产生的热效应会影响热控系统工作,羽流沉积物会影响光学敏感器的精度。文章以某航天器的20 N姿控发动机为例,首先采用工程的MOC方法计算其真空羽流场;然后利用建立的航天器羽流三维冲击模型分析了羽流对太阳电池阵的冲击载荷;最后对发动机羽流脉冲激励下太阳电池阵的响应和姿态控制系统受到的扰动力矩进行了仿真分析。结果表明姿控发动机羽流脉冲激励将对控制精度和稳定度产生不可忽视的影响。     

星箭连接界面处环形分布动载荷识别

提出一种基于卫星结构响应的环形分布动载荷识别方法。首先基于脉冲响应函数，在时域内构建激励与响应之间的传递关系；进一步，利用B样条函数表示动载荷的环形分布函数，并结合卫星结构有限元模型和结构测点加速度响应，识别了动载荷的分布函数及其时间历程。以某卫星模型开展数值仿真研究，结果表明：在不同噪声水平，响应测点数以及B样条控制点数的情况下，本文所提出的方法能够准确识别卫星结构所受分布动载荷。本文方法能够为实际飞行情况下卫星载荷环境评估提供理论支撑。     

模糊逻辑方法在具有不确定性时滞系统控制中的应用（英文）

时滞是典型的非线性环节,通常存在于流体动力学中例如航空飞行器控制。一个新型的改进史密斯预估器的控制方案被提出,可以解决扰动影响下的积分时滞系统控制中出现的稳态误差问题。首先积分时滞过程被预测为一阶时滞模型。通过使用劳思赫尔维斯稳定判据设计的PID控制策略可以实现系统稳定。该设计方法可以成功消除扰动的影响。但是在跟踪控制的瞬态响应中会产生较大的超调量。因此模糊逻辑方法被用于调节设计的PID控制器,以降低超调量。最终研究设计的控制方法具有很好的鲁棒性同时在应对系统不确定性时表现了很好的控制性能。     

统计能量分析法在爆炸分离冲击响应预示中的应用

针对复杂结构的爆炸分离冲击问题,文章采用统计能量分析方法对其响应进行了计算分析。首先对切割索产生的连续载荷进行了离散处理,然后基于统计能量分析并结合虚拟模态综合法,对航天器分离过程中的冲击响应进行了预示。得到的结果符合爆炸分离冲击环境下结构响应特征及其传递规律,对航天器抗冲击设计与评估具有一定的参考价值。     

卫星结构基础加速度激励及界面力识别试验研究

针对某卫星结构模型,开展基于实测卫星结构加速度的卫星基础激励和星-箭连接界面动载荷反演试验研究.首先,根据卫星结构和试验条件,设计了用于测量星-箭界面传递载荷的工装;其次,基于卫星结构模态试验和有限元模型修正技术,获取了卫星结构的高保真有限元模型;进一步,开展基础激励下的卫星结构模型振动试验,利用动载荷识别技术获取振动...