关于航天器铰接结构非线性动力学研究的几点建议

航天器铰接结构非线性动力特性直接影响到航天器动力学模型的建立、航天器姿态控制方案的制定和有效载荷指向稳定度的保持。文章简单介绍了铰链非线性建模、铰接结构非线性振动以及非线性模态分析、降阶等方面的最新研究成果，并针对铰接结构非线性动力学研究领域有待解决的问题提出了一些建议。     

太阳翼联动装置预置张力设计及分析

联动装置是常用的太阳翼部件同步展开控制机构,绳索预置张力直接影响到太阳翼展开的同步性能。通过展开动力学仿真,设计了太阳翼联动装置绳索预置张力,并进行了太阳翼展开仿真分析,验证了设计结果的合理性。     

圆轨道航天器八面体编队构型轨道动力学分析

提出一个全新的八面体航天器编队构型,该构型体现出当前编队飞行多种轨道构型的特征,同时也适于作为空间演示试验的编队飞行模式。八面体编队构型的设计思路是基于C-W方程,轨道平面内沿航向编队构型可利用轨道动力学自然保持,正上方或正下方编队构型则需要依靠平面内控制来实现,垂直轨道平面的编队构型需要施加法向控制来实现。对基于C-W方程的悬停动力学模型进行了精度分析,最后以低轨道航天器的八面体编队构型为例进行了数学仿真验证。     

折叠式桁架机构展收运动动力学建模和分析

针对一类折叠式桁架结构系统 ,导出了其展收运动动力学模型 ,提供了求解相应的非线性微分———代数方程组的方法。桁架系统展收运动仿真算例表明 ,由于所建立的动力学模型规模较小 ,所提供的求解方法不需迭代 ,因而数字仿真所需的计算时间很少 ,并可避免采用通用的商用动力学仿真软件出现的求解困难     

索杆式伸展臂的展开驱动设计与动力学分析

结合一类索杆式伸展臂的模型制作，介绍了与该类伸展臂相关的驱动装置的技术要求、驱动机理和设计方法，并针对三种不同的驱动方案进行了比较．最后对伸展臂单元的展开运动过程进行了动力学分析．     

航天器附件联动展开机构优化设计

根据航天器附件展开运动功能要求,对联动展开机构进行了尺度综合,确立了一组独立的设计参数,推导了满足收拢和展开状态下基板位置要求的联动展开机构数学模型,并建立了参数化的机构展开动力学仿真模型,以对附件展开运动功能及动力学特性进行分析和验证,从而实现了机构的参数化设计与分析.在此基础上,以展开全程所需的最大驱动力矩最小化为目标,以满足收拢状态整体结构尺寸包络为约束条件,建立了联动展开机构优化模型,根据该优化问题的非线性特征以及设计空间的不连续性,采用模拟退火算法进行优化求解,最终得到了机构的最优尺寸,从而达到了降低展开驱动力矩、改善机构动力学性能的目的.     

大型空间可展薄膜结构动力学仿真分析

相对于传统的航天器平面刚性天线结构,柔性可展薄膜结构因其质量轻、收拢体积小等优点成为大型天线的重要发展方向,特别是在天基合成孔径雷达（SAR）天线高分辨率对地观测技术领域具有广阔的应用前景.为掌握其在轨结构动力学特性,基于温度-结构预应力导入方法建立了大型空间可展薄膜结构的动力学模型,分析了可展薄膜结构的动力学性能参数,同时基于建立的动力学模型开展了可展薄膜结构的优化设计研究,得到主要设计参数对可展薄膜结构动力学性能参数的影响权重,为其工程化实施奠定了理论研究基础.     

面向小型自主航天器的锥-杆式对接机构锥面构型设计

对接锥是对接机构的重要组成部分,在碰撞过程中首先与主动对接机构相接触.比较小的锥角会造成系统在碰撞过程中发生剧烈振动,而比较大的锥角又会使系统的接触碰撞力增大,甚至造成对接失败.本文针对面向在轨服务的小型航天器上使用的锥——杆式对接机构,提出了新的对接锥型面设计目标;利用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA,仿真分析了对接机构碰撞后的运动学特性;通过研究对接锥的型面设计方法,得到了新型对接锥型面.研究结果表明,新型对接机构的整体性能满足设计目标要求.     

带多个充液储箱航天器的耦合动力学建模方法

研究了充液航天器储箱内液体晃动与全星姿态运动的耦合动力学建模方法．分别基于单摆等效力学模型和质心面等效力学模型建立了全星姿态耦合动力学方程,并分别针对2个储箱串联布局、3个储箱并联布局的充液航天器在不同工况下的液体晃动问题进行了数值仿真研究;同时比较分析了两种储箱布局方案下液体晃动对航天器姿态运动的影响,为工程应用提供参考．     

扇形太阳翼重复折展机构运动仿真及其功能试验

传统折叠式太阳翼体积与重量大, 采用一次性展开锁定机构易引起航天器调 姿或变轨时的颤振. 为此提出了一种新型扇形太阳翼重复折展机构. 基于 ProE/Adams联合仿真, 建立虚拟样机模型, 获取不同电机转速下扇形太阳翼转 动导板展开运动参数的变化规律, 对所研制的扇形太阳翼重复折展机构原理样 机进行展开功能试验. 对比仿真与试验结果可知, 在电机允许转速范围内调节 转速, 扇形太阳翼重复折展机构均可在规定时间内完全展开锁定, 具有重复折 展与锁解功能, 且仿真与试验数据高度吻合, 表明其符合设计要求.     

带间隙伸展机构力学仿真研究

针对带铰接间隙大型桁架式伸展机构的动力学方程,分析了方程的非线性特性,研究了其数值求解方法,以梁和典型伸展机构平面模型为例进行了仿真分析,得到了结构的非线性动响应情况,与实验比较,证实了仿真的有效性。最后给出结论。     

考虑摩擦的周边桁架式可展天线展开动力学分析

结合一种周边桁架式可展天线的模型制作,介绍了该类天线的总体布局、展开收纳机理和设计要点;然后提出了切实有效的数学算法,有效地构造了约束方程及其Jacobi矩阵,实时地模拟了结构收纳过程的约束条件,采用广义逆矩阵的方法分析了周边可展桁架运动过程;研究了摩擦这一非线性因素在其展开过程中的作用机理,建立其展开动力学模型,实现了考虑摩擦的周边桁架式可展天线结构展开动力学分析.编制了仿真程序进行算例分析,验证了分析方法的有效性.      

航天器稀疏编队飞行的概念及其设计方法

提出了航天器稀疏编队飞行的概念及其设计方法，阐明了它与通常的紧密编队飞行的区别及其在应用上的前景。采用了一个比Hill解更为广泛的新公式来设计稀疏编队，并列举了若干稀疏编队的阵形。当各航天器距离很近时，该公式自然退化为与Hill解相同的形式。通过与Hill解的设计相比较，表明了新公式用于稀疏编队设计的优越性。     

单框架控制力矩陀螺构型分析与奇异可视化

在单框架控制力矩陀螺(SGCMG)系统构型的分析和评价指标中,构型效益和可控效益分别反映了构型角动量包络和奇点在空间中的分布,可在一定程度上反映构型的性能。然而,构型效益不够直观,而可控效益中包含了角动量包络大小的影响。为此,将构型效益归一化,并从可控效益中去除角动量包络的影响,定义了两个新的构型指标--角动量利用率和非奇异率,对构型进行分析和评价。在此基础上,为了直观反映不同构型对奇点分布的影响,引入奇异可视化方法对不同构型下的奇异角动量曲面分布情况进行了对比分析。分析结果表明,SGCMG个数和构型的对称性是影响构型指标和奇异角动量曲面分布的主要因素。     

太阳帆航天器悬浮轨道动力学与控制

基于线性动力学模型和非线性动力学模型,研究了太阳帆航天器日心悬浮轨道保持与控制问题.首先,推导出了柱坐标形式的太阳帆动力学方程,并在参考悬浮轨道附近线性化以建立状态方程,然后对状态方程进行可控性分析.通过合理选择控制变量加权矩阵R,用线性二次型调节器(LQR)对线性模型进行控制.将得到的控制律代入非线性模型中进行验证,表明该控制律渐近稳定,并且具有良好的控制精度,可实现太阳帆悬浮轨道控制.     

基于组态建模的航天器姿轨控数学仿真系统

数学仿真是研究航天器姿态轨道控制系统常用的手段,目前常用人工编程的方式建模,花费时间长且软件的可读性、可维护性较差.提出一套基于组态建模的航天器姿态轨道控制仿真系统,该系统通用性强、可支持自动建模及代码生成.仿真实例表明,该系统模块化、自动化程度较高,大大提高了研究人员的工作效率.     

Configuration space and stability analysis of solar sail near-vertical earth-trailing orbits

Regions outside the reach of traditional propulsion systems or the ones that require significant propellant, may be reached by harnessing the solar radiation pressure and leveraging coupled dynamics to maneuver a sail-based spacecraft. Earth-trailing orbits have recently been investigated for getting a unique perspective of the Sun while maintaining the spacecraft in close proximity to Earth. Vertical orbits trailing the Earth exhibit the additional capability to view the Sun from above and below the ecliptic plane. In this work, families of sail-based orbits are explored for varying Earth-trailing angles and Z amplitudes in the Sun-Earth circular restricted three-body problem. Optimization is carried out to ensure that the non-traditional vertical orbits exhibit a constant pitch angle control history, as well as symmetry across the X-Y plane. The stability of the resulting orbit families is assessed using an extension of Flouquet theory to Differential Algebraic Equations. Results indicate that sail-based Earth-trailing vertical orbits can be more stable than traditional sub-L₁ sail-based vertical orbits.