绳系卫星轨道转移的最优控制

考虑系绳的弹性以及复杂状态和控制约束的作用,研究了绳系卫星面内轨道转移的最优控制问题。借助Gauss伪谱算法,将绳系卫星轨道转移的连续时间最优控制问题离散为大规模动态规划问题,进而利用非线性规划方法进行求解。通过数值模拟计算了子星最优转移轨道及最优控制力。结果表明:在满足相关约束的条件下,通过调节系绳张力可将子星从主星下方转移到上方的平衡位置,精确地实现子星轨道转移,并使得轨道转移过程呈现出良好的光滑性和对称性。最后基于协态映射定理对解的最优性进行了验证。     

利用受限张力的拖曳变轨欠驱动姿态稳定策略

在空间绳系拖曳变轨中,目标和平台形成一种哑铃型绳系系统,且仅依靠有限的平台推力和系绳张力来抑制系绳的摆动。针对此类输入受限的欠驱动控制问题,提出了一种利用受限张力的姿态稳定策略。首先,推导了组合体姿态动力学模型。然后通过数值求解姿态平衡方程得出理论面内姿态指令,再采用高斯伪谱法对其优化获得实际指令。最后,基于分层滑模理论设计欠驱动张力控制律,并嵌入抗饱和模块以缓解张力饱和。仿真表明空间平台能在正向有限的张力控制下,平滑地收放系绳使面内角和绳长跟踪实际姿态指令。此外,所提策略对目标体摆动和传感器误差也具有良好的鲁棒性。     

电动力绳系离轨系统电流与拉力混合展开控制

电动力绳系离轨系统是一种典型的空间碎片主动消除技术,本文针对电动力绳离轨系统在初始阶段展开的控制问题,仅通过调节有限的系绳张力与电流,不依赖其他推进器,将导电系绳释放至期望长度并抑制系绳的摆动。首先,采用倾斜偶极子地磁场模型,建立考虑系绳质量的近地轨道二体电动力绳系卫星系统动力学模型;其次,在系绳张力与电流存在约束的条件下,采用反步法结合抗饱和辅助函数解决控制输入受限问题,并引入动态尺度广义逆实现了欠驱动电动力绳系统展开稳定控制问题;然后,应用Lyapunov稳定性定理证明了其闭环系统的稳定性;最后,在MATLAB/SIMULINK平台上进行了仿真验证。结果表明：通过调节系绳张力与电流,可以将系绳释放到指定位置,同时控制输入满足约束条件。     

绳系拖曳中柔绳动力学及其控制方法

针对绳系拖曳离轨系统中对目标星的控制问题,提出一种利用拖曳装置控制系绳张力的方法。采用有限元法建立了系绳伪梁模型,通过仿真分析了系绳参数、端部扰动对其传力特性的影响以及所造成的系绳两端张力区别的原因。建立了系绳收放与张力控制装置机电一体的动力学模型,基于PD控制方法,实现了通过系绳收放对系绳末端张力的跟踪控制。通过算例仿真分析了系绳末端位置扰动频率对末端张力跟踪控制效果的影响,结果表明:对于确定的末端张力跟踪控制要求,末端位置扰动频率较低时,末端张力跟踪误差小;随着扰动频率的增大,末端张力误差和时滞增大;严重时出现系绳间歇式松紧现象,末端张力无法正常跟踪,被动产生张力冲击。     

空间绳系机器人捕获目标后的面内自适应回收方法

在空间绳系机器人(TSR)捕获目标星后,操作机构与目标星形成质量、惯量和系绳连接点位置等参数未知的组合体,且系绳长度、偏角与组合体姿态严重耦合,控制输入严格受限,回收控制十分困难。针对其回收难题,综合考虑系绳长度、系绳偏角与组合体姿态,利用拉格朗日法建立了轨道面内的动力学模型,并基于动态逆理论设计了一种自适应抗饱和回收控制方法。首先,在对组合体质量、惯量与系绳连接点进行在线估计的基础上,设计一种自适应动态逆回收控制器;然后,设计辅助变量对控制输入进行补偿,解决控制输入受限问题;最后进行仿真验证。仿真结果表明,在线估计器能够快速有效地估计组合体动力学参数,回收控制系统能够利用受限的控制输入克服抓捕时刻的系绳偏角和组合体姿态扰动,并沿设计的回收轨迹实现稳定有效回收。     

柔性接头迟滞阻尼特性识别

为实现对柔性接头系统的建模和动力学分析,对柔性接头的迟滞阻尼特性识别方法进行了研究.测试了一系列不同摆角和不同频率条件下柔性接头的动态特性参数,基于变刚度变阻尼法对不同频率下的刚度系数和阻尼系数进行了参数识别,获得了刚度系数和阻尼系数跟摆动频率之间的关系,建立了柔性接头动力学模型.应用该模型分析计算了柔性接头低速频率特性,并与试验结果进行了对比分析.结果表明:建立的模型可以很好地描述柔性接头的低频特性,随摆动频率的增加,恢复力矩略有增加;在振幅较小时,弹性力矩随摆角呈线性,随着摆动振幅的增加,弹性力矩的非线性逐渐增强.      

连续地月转移系统动力学研究与能量分析

为了研究新型连续地月转移系统的动力学及能量需求,采用Lagrange方法,在系绳为刚性杆假设的前提下,同时忽略第三体引力、地球扁率和系绳轴向变形等扰动因素的影响,建立了驱动型动量交换绳系卫星(MMET)系统的三维刚性动力学模型。对所建立的动力学模型进行了数值仿真及对比分析,仿真结果验证了所建模型的正确性。研究表明,外力矩对系统轨道运动参数影响甚小,对姿态运动参数影响明显。采用MMET方式进行载荷转移,推导出了实现载荷地月轨道转移所需的入口速度条件以及时间周期条件,并求解出了载荷在2次任务之间的时间间隔。给定初始条件下,当MMET系统以0.231 6 rad/s的旋转角速度绕其质心旋转1 448.5圈,其绕地心刚好运行5圈时,载荷可顺利进入地月转移轨道。最后,对连续地月转移系统实现载荷的地月转移进行了能量对比分析,结果表明,相同条件下,MMET载荷转移方式相比于传统脉冲变轨方式在载荷转移过程中消耗更少的能量。     

舰载直升机旋翼/机体非线性耦合稳定性分析

基于多体动力学方法建立了舰载直升机旋翼/机体耦合系统的动力学模型,其中机体起落架模型由非线性的液压作动器和橡胶轮胎两部分组成,而舰船的横摇和纵摇以简谐激励的形式通过起落架传递给旋翼/机体系统.针对不同的舰船激振频率,研究舰载直升机起动过程中旋翼/机体系统的时间响应历程和动力学稳定性.结果表明:舰载直升机的机体和桨叶摆振自由度在舰船激励下均会出现极限环振动现象,并且当舰船激振频率与旋翼旋转频率相等时会激发出旋翼的摆振后退型模态的极限环振动,使旋翼重心偏离桨毂中心,进而可能导致“舰面共振”事故发生.      

悬停状态下无铰旋翼模型气弹稳定性试验

通过悬停状态下2m直径旋翼模型试验, 研究了旋翼结构参数及动力学参数对无铰旋翼桨叶气弹稳定性的影响, 参数包括桨叶总距角、预锥角、预掠角、摆振频率和旋翼转速。桨叶为挥-摆-扭耦合结构, 并能构成面内柔软和面内刚硬旋翼。试验采用在垂直方向以摆振后退型频率进行周期变距激振的新方法, 得到了与理论相一致的结论。      

喷管摆动角度和频率对SRM中压力振荡响应特性的影响

喷管摆动可能会诱发燃烧不稳定性,而不稳定性问题已经受到了国内外研究人员的高度重视。为了研究喷管摆动角度和频率对燃烧室内压力振荡响应的影响,采用数值模拟方法,在给定某时刻装药燃面、喉径和正弦摆动方式下,对不同摆角和摆频下的发动机燃烧室压强变化规律及喷管摆动过程的响应规律进行数值分析。研究表明:固定摆动频率,改变摆动角度,燃烧室内平均压力都随时间小幅度上升,摆动角度为3°和7°时,平均压强增量较其它角度而言较为明显;固定摆动角度,随着摆动频率的增加,喷管摆动引起燃烧室内低频响应幅值在增加;由喷管摆动所引起的燃烧室压力振荡频率主要集中在100Hz以下的低频区。     

Real time estimator for control of an orbiting single tether system

A real-time estimator is developed for the control of the Tether Dynamics Explorer (TDE) system. TDE is being used in a series of tethered satellite flight experiments whose purpose is to validate existing system models and test proposed control laws. Each experiment consists of an orbiting Delta II second stage which deploys toward the Earth a small box-shaped passive endbody at the end of a flexible tether. A discrete extended Kalman filter (DEKF) is presented which can operate in real time and in conjunction with control laws. This filter estimates the in-plane and out-of-plane tether libration angles and their rates from a proposed three-axis tether tension measurement device in the Delta second stage. The simulation results indicate that the DEKF can estimate the libration angle and their rates from a three-axis tension and length measurement with an acceptable error. The relatively simple computations required make this algorithm particularly well suited for real-time operation.<>     

Geostationary tether satellite system and its application tocommunication systems

The geostationary tether satellite system expands the geostationary orbit resource from a one-dimensional arc into a two-dimensional disk. The tethered satellites, each several thousand kilometers apart and aligned along the local vertical, are stabilized at the altitude of the geosynchronous orbital speed. When this system is applied to communications systems, it is estimated that the number of satellites can be increased as much as thirteenfold and the communication capacity can be increased more than seventeenfold, compared with a conventional geostationary satellite orbit system     

捷联惯组空间八点减振IMU组合设计CSCD

为了研究捷联惯组空间八点减振IMU组合的力学性能及其在抑制线角耦合方面的作用,采用NX三维建模及ANSYS仿真分析工具对IMU组合的刚度、减振器的线角频率、减振性能方面进行了充分的理论验证。同时,推导出平衡机的调平原理,通过调平使IMU弹性中心与质心重合,然后对惯组进行振动试验,观察其减振性能及三向陀螺角速度输出值。结果表明,经理论分析该IMU组合模态为875.7Hz,具备足够的刚度;减振器线角频率差值在50Hz以上,具有较高的离散度。经试验验证,该IMU组合调平小于0.1mm时,减振效率不低于42%,三向陀螺角速度输出不大于11(°)/s,具有较好的力学环境适应性与极高的角速度输出特性。     

Tethered dual spacecraft configuration: a solution to attitude control problems

A new dual spacecraft configuration comprising of two spacecraft halves judiciously connected through extremely short tethers is proposed. The simple tethered configuration induces stabilizing torques when subjected to attitude disturbances, thus ensuring 3-d pointing stability of both the satellite platforms. The enhanced system performance obtained using tethers enables a much greater flexibility in the choice of satellite mass distribution. Three particular TSS models involving parallel tethers, a `parachute-like' conical tether layout as well as a single tether connection have been considered. A detailed numerical response simulation shows that these modes of tether attachments bring about a radical change in the satellite attitude behavior from the nominal one involving relatively large librational amplitudes or instability to a virtually fixed desired orientation. Of these, the parachute configuration appears to be superior. The passive nature of the proposed mechanisms using tether lengths on the order of merely a couple of meters needed for small and medium size systems makes the concept particularly attractive for future space missions. Finally, it is felt that the proposed tethered dual satellite systems may offer a simple answer to three-axis attitude control problems.     

转子不平衡量对角接触球轴承-刚性转子系统动力学耦合特性的影响

建立了高速角接触球轴承-刚性转子系统完全动力学数值仿真模型。以某仪表轴承支承的转子系统为例,分析了转子不平衡量对转子振动响应、轴承内部载荷分布以及保持架质心运动轨迹、频域幅值变化及其磨损的影响。结果表明:无转子不平衡量时,转轴振动仅包含保持架频率,而转子不平衡时,转轴振动除保持架频率,还包含内圈频率及其倍频。随着转子不平衡量的增大,内圈频率对应的转轴振动幅值逐渐增大,而保持架频率对应的转轴振动幅值先减小后增大。球与内外圈接触载荷波动随着转子不平衡量的增大而增大,且载荷包含了保持架频率与内圈频率的多种耦合频率。转子不平衡量越大,保持架质心运动越不稳定,而保持架磨损率反而逐渐降低。保持架质心运动除保持架频率外,还包含保持架频率与内圈频率的耦合频率,说明保持架运动受转子振动的影响。      

匀速俯仰运动及角速率对横向喷流的影响

为研究运动对横向喷流干扰特性的影响,数值模拟了导弹模型匀速俯仰运动过程的超声速横向喷流,获取了运动状态下的横向喷流干扰量,并对比分析了俯仰运动和角速率对喷口附近流场结构、模型表面极限流线、表面压力分布和子午线压力变化及气动特性和干扰放大因子造成的影响。结果表明：模拟参数范围内,动态及角速率影响随运动方向及迎角范围而发生变化;中小迎角时主要影响上游分离区和尾部偏折效应,大迎角时弓形激波位置变化显著;俯仰运动的气动特性和横向喷流干扰特性出现动态迟滞,且随角速率增加而增强;动态大迎角下由于压力平台效应减弱,其力矩放大因子受俯仰运动影响更为明显,出现偏离静态的不利结果。     

辐射开环绳系卫星编队自旋展开动力学与控制策略

提出了圆轨道辐射开环绳系卫星编队的展开控制策略。首先采用拉格朗日方程建立了辐射开环绳系卫星编队的展开动力学模型,分析了主星姿态与绳长在展开过程的动力学耦合关系;随后以建立的动力学模型为基础,分别研究了编队在重力梯度力补偿和无补偿两种情况下的自旋展开控制策略,通过规划绳系释放速度、主星自旋角速度等变量,实现了绳系编队的有效展开;最后搭建了编队自旋展开的动力学模型,通过数值仿真对所提出的展开策略进行验证,仿真结果表明：在重力梯度力矩补偿和无补偿的情况下,所提出的展开控制策略能够保证编队稳定展开。     

初始运行条件对空间飞行器飞行影响研究

某试验型微小空间飞行器用于检测空间探测技术,通过对该飞行器运动轨迹及姿态变化的研究,对比分析空间探测技术的实时响应和检测精度。针对发射过程中,扰动会改变空间飞行器自由飞行过程的初始运行条件的问题,建立计及环境因素的空间飞行器轨道动力学和基于欧拉方程的姿态动力学模型,并对飞行器在不同初始运行条件下的运动过程进行数值研究。结果表明:改变初始条件,飞行器运动过程将产生不同程度的变化;入轨初速度越大,飞行器轨道离心率和周期越大;非零发射角将引起轨道偏移和旋转,俯仰发射角主要引起俯仰角变化,偏航发射角主要影响滚转角和偏航角,并且角度越大,幅度越大;自转角速度越大,姿态角变化越小。