复杂航天器动力学研究的发展和应用

简要概述了北京空间飞行器总体设计部(以下简称总体部)在复杂航天器动力学研究方面的发展状况,重点总结了近几年来的研究开发成果和型号工程应用。     

桁架结构拓扑优化系统软件开发及其在大型天线安装桁架设计中的应用

针对大型复杂桁架式承力结构的构型设计和优化问题,基于桁架结构拓扑优化的半定规划模型及算法,以MatLab为平台设计开发了桁架结构拓扑优化系统(TODOSST)软件。首先以柔度最小化问题为例给出了桁架拓扑优化的半定规划模型,通过不同目标和约束的组合构造了优化模型库;然后在MatLab环境下完成了软件的框架设计和功能模块开发;最后将软件应用于大型天线安装桁架的构型优化。结果显示:使用TODOSST软件得到的优化设计方案能够显著减小结构质量,提高结构静/动态刚度,降低内部节点弯矩水平。优化结果对工程结构设计具有重要的参考价值,同时也验证了TODOSST软件应用于桁架结构构型设计的实用性和有效性。     

梁结构的高频响应研究

利用NASTRAN软件得到一简支梁从低频到高频的频响特性,研究了不同有限元网格划分对结构高频特性的影响,并通过统计能量分析(SEA)法、有限元法以及解析解的对比揭示了SEA法在高频响应预示中的有效性。然后以耦合梁为例,通过有限元法得到两个梁之间的能量传递,并进而得到SEA所需的耦合损耗因子;将有限元计算结果和SEA结果对比验证了该方法的有效性,以期建立一种用有限元法获得SEA参数的新途径。此外,研究了集中质量和不同边界条件对耦合结构高频能量传递的影响。     

统计能量分析的研究进展

首先介绍了复杂航天器声振环境的具体特点和开展统计能量分析研究的必要性;然后重点综述了统计能量分析的发展过程、传统的理论方法和最新发展动态;最后阐明了统计能量分析方法在复杂航天器上实施工程应用的主要研究内容、技术指标和具体技术途径。     

多学科设计优化技术在卫星设计中的应用

概述了多学科设计优化(Multidisciplinary Design Optimization,MDO)理论及其研究进展;结合卫星总体设计的特点和设计优化研究现状,分析了开展卫星总体MDO的难点,并指出了需要突破的关键技术;最后综合国内外MDO理论与应用研究的热点,提出了卫星总体MDO的发展方向。     

航天器结构模型修正方法综述

评述了结构动力模型修正技术从矩阵型修正方法到元素型修正方法的发展,总结了元素型模型修正方法的主要算法,介绍了模型修正中的自由度匹配、灵敏度分析和对模型修正方法的有效性进行检验的经验标准,归纳了目前模型修正的一些关键技术问题。     

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。     

实践四号卫星姿态测量系统与数据处理

采用太阳敏感器和磁强计构成卫星姿态测量系统实践四号卫星自旋轴相对太阳矢量,地磁矢量的方位以确定卫星相对于惯性空间的方位和卫星自旋转速,以及卫星章动信息,并给出了数据处理算法和结果。     

导航星座自主导航的时间同步技术

导航星座自主导航能够有效地减少地面测控站的布设数量,减少地面站至卫星的信息注入次数,降低系统维持费用,实时监测导航信息的完好性,增强系统的生存能力。卫星时间同步是实现导航星座自主导航的关键技术之一,而星载原子时钟的频率稳定性能直接影响着卫星时间同步精度。本文基于星载原子时钟频率稳定性的Allan方差表达,建立系统状态方程,并以星间双向测量伪距差作为基本观测量,组成系统测量方程。从而,可以设计适用于导航星座卫星时间同步的Kalman滤波算法。系统仿真结果表明:通过滤波处理星间双向测距数据,不断地更新卫星时钟参数,能够实现星座卫星自主高精度时间同步。