在低微重力下卫星液体晃动力学应用研究

研究充液航天器任意旋转对称偏置贮箱在低微重力情况下的小幅液体问题，通过引入惯性张力强度因子，采用混合加剩余法，建立低重，微重以及失重情况统一求解有的限元数值模型，并编制具有工程实用性和通用性的计算机分析软件，针对几种贮相的液体晃动问题进行了计算机，应用表明该软件可为复杂航天器的液体晃动设计提供有效的工具。     

低重环境下旋转轴对称贮箱内液体晃动研究

针对低重环境下旋转轴对称贮箱自由晃动和受侧向、纵向激励时的箱内液体晃动,用变分原理推导了基于低重环境下静液面形状的液体晃动的积分形式的动力学控制方程,由拉普拉斯方程得到用高斯超几何级数解析表达的速度势和波高,进而得到液体晃动的模态运动方程。分析了球形贮箱和Cassini贮箱内液体自由晃动基频,贮箱受侧向激励时液体晃动波高振幅、晃动对贮箱产生的晃动力和力矩、晃动的等效力学模型,以及贮箱受纵向激励时的晃动波高振幅、可能出现的参激共振问题。     

航天器贮箱大幅液体晃动三维质心面等效模型研究

针对航天器贮箱内的大幅液体晃动建立了三维质心面等效模型,此模型将贮箱内液体等效为位于液体质心处的质点,该质心点可以在质心约束面内任意运动,同时利用质心点动力学方程及接触碰撞模型近似计算液体晃动对贮箱的作用力。质心面等效模型的数值仿真结果与基于VOF方法的流体动力学数值计算结果基本吻合,从而验证了质心面等效模型用于航天器贮箱大幅液体晃动分析的有效性。     

带多充液圆柱贮箱航天器刚-液耦合动力学研究

文中以在低重环境下带多充液圆柱贮箱刚性航天器中刚-液耦合方程的建立和求解为主要研究目的。推导航天器中充液圆柱贮箱内任意点的牵连运动方程,根据壁面边界条件给出了贮箱内液体牵连晃动势的表达式;利用第二类边界条件下的傅立叶-贝塞尔级数展开法对低重力环境下的弯曲自由液面处的复杂动力学边界条件进行处理,建立以液体相对晃动势的模态坐标和晃动波高的模态坐标为状态向量的液体耦合晃动力学方程,通过积分分别得到了耦合晃动力和耦合晃动力矩的解析式;运用准坐标系下的拉格朗日方程建立以航天器主刚体姿态坐标和轨道坐标为状态向量的刚体耦合运动动力学方程,进一步联立上述耦合方程得到航天器整体系统的刚-液耦合动力学状态方程;最后,编制出适用于带多充液圆柱贮箱航天器内刚-液耦合动力学计算的模块化计算程序,通过计算实例验证所编程序的准确性的同时,研究了携带多充液箱航天器系统贮箱布局、外激励方式对航天器刚-液耦合系统动力学特性的影响。     

非轴对称贮箱液体晃动的等效力学模型

针对非轴对称贮箱液体晃动问题,从一般意义上推导了作三维运动的任意三维贮箱内液体晃动的等效力学模型,采用有限元方法建立计算等效力学模型参数的数值算法,利用矩阵相似变换的性质分离液体零频以消除液体刚度矩阵的奇异性,从而将等效力学模型参数的计算归结为广义特征值问题和线性代数方程组的求解,具有较高的计算效率。通过非轴对称贮箱液体晃动的算例说明,不同的等效晃动方向可能不正交,晃动平面可能不过液体质心,因此非轴对称贮箱液体晃动的等效力学模型比轴对称贮箱液体晃动的更加复杂。最后以三棱柱形充液贮箱为例,采用商用CFD（计算流体动力学）分析软件FLOW-3D验证了在贮箱作典型三维运动时等效力学模型的有效性。
     

用多维模态理论分析航天器贮箱液体有限幅晃动力

首次将多维模态理论应用到求解航天工程中常见的圆柱贮箱液体非线性晃动问题中。针对贮箱作水平横向运动，根据Narirrmnov-Moiseev的三阶渐近假设关系，通过选取主导模态以及确定它们的阶次关系，将一般形式的无穷维模态系统降为5维渐近模态系统。在模态系统基础之上，推导出了液体作用于贮箱壁的力的简洁表达式。数值仿真结果表明，相对于线性晃动理论结果，有限幅晃动液体将对贮箱壁产生更大的横向作用力，同时对贮箱底部还作用有明显的纵向力。可将此公式应用于工程实际问题中部分充液贮箱液体有限幅晃动力的估算。     

轴对称充液贮箱有加速度时的等效建模

用空间等效摆模型描述航天器储箱内液体晃动。根据液体晃动建模型与边界条件,获得了液体在贮葙腔内作涡旋运动时的赫姆霍兹方程。研究有加速度的平衡状态及小幅运动时固定腔体中理想流体的横向运动,分别求出每个腔体在固定基座上的固有频率和振型函数。航天器具横行速度和姿态运动时考虑航天器运动对加速度势的影响,给出液体对主刚体的作用力和力矩。由此建立了轴对称贮箱等效力学模型。加入干扰的动力学响应分析验证了模型的正确性和实际影响效果。     

复杂结构充液航天器晃动动力学与姿态稳定性

复杂充液航天器的晃动及其对控制系统的影响是当前空间高技术的重要问题。 本文首先由力学变分原理导出充液复杂系统的方程式,其中包括流体力学方程和相应的边界条件,以及弹性连续介质力学方程;特别是,考虑了强毛细作用力的影响。其次,考查了微重条件下带有隔板的贮箱内的液体晃动、带有网孔隔板腔体内的液体晃动和粘弹性隔板对抑制晃动的作用。另外,本文将分析带有多腔充液自旋卫星的姿态稳定性,以及晃动、液体涡旋、贮箱偏置,能量耗散和哥氏加速度对卫星运动的影响。最后,讨论了多体系统充液挠性空间飞行器的稳定性问题。 同时,本文给出了数值计算结果和某些试验结果,并与理论分析作了对比。     

圆柱贮箱中液体晃动的模部分析

本文对圆柱贮箱中液体的晃动问题进行了精细研究，提出了模部及模部分析的新概念。在此基础上，文章研究了在不同接触角假设下的模部正交性问题，对传统的圆柱贮箱中液体的受迫晃动理论作了本质分析，并从速度势函数ｚ模部的角度分析了深箱问题的实质。     

微重力下球形贮箱内液体晃动有限元模拟

以卫星球形贮箱为研究对象,用任意拉格朗日-欧拉(ALE)法建立了数学模型,给出了计算的基本方程,并基于MSC-Dytran有限元程序,对常重力和微重力环境中贮箱内推进剂的晃动进行了数值模拟。结果表明,微重力环境中液体更易发生大幅晃动,甚至产生飞溅,工程中常用的等效力学模型已不再适用,而有限元数值模拟方法可较好地解决该问题,为卫星及大充液复杂结构航天器控制系统的设计和分析提供理论参考。     

火箭推进剂液体晃动关机响应的数值仿真

本文采用VOF方法对火箭发动机关机阶段所引起的液体晃动进行了数值仿真，以氧化剂贮箱为例，得到了贮箱无阻尼环和带阻尼环时的晃动仿真图和液体质心变化曲线，检验了VOF方法处理碎波的能力。     

圆柱贮箱内液体非线性稳态晃动实验及动力学特性分析

针对圆柱贮箱内液体非线性稳态晃动力和力矩动态信号的采集与分析问题,设计了一种能同时实现充液贮箱整体固定安装和液体动态晃动力、力矩精确测量的实验装置,给出了相应的实验数据采集、分析和处理方法。通过开展大量实验,将实验数据与CFD仿真结果进行细致对比后发现:在旋转晃动状态下,CFD仿真结果存在明显的计算偏差,不便被独立的用于完整揭示贮箱内液体晃动的真实特性。最后,归纳了贮箱内液体的非线性稳态晃动行为随横向外激励频率的变化规律,并对比分析了驻波晃动、拍振晃动、多类复杂的旋转晃动等多种不同形式的非线性稳态晃动行为对运载工具控制系统的任务执行效率和稳定性的影响。     

变轨条件下卫星贮箱内液体推进剂晃动特性三维数值模拟

以某卫星液体推进剂贮箱为研究对象,用Fluent三维数值模拟软件,对在零重力环境变轨过程中贮箱内液体推进剂的晃动特性进行数值模拟。分析了晃动过程中液体推进剂的质心变化和液体推进剂对贮箱的作用力。数值模拟获得了液体推进剂在变轨过程中晃动的频率和阻尼比。与ABRAMSON等根据实验结果拟合得出的阻尼比经验公式计算结果和文献中对阻尼比的简化计算结果相比,模拟结果接近经验公式,同时能反映阻尼比随液深的变化,计算结果具有可信度。     

航天器贮箱内液体晃动阻尼研究(二):数值计算

针对航天器贮箱中燃料晃动阻尼进行估算.在液体晃动阻尼理论研究的基础上,考虑了容器壁面、液体内部以及受污染的自由液面处产生的耗散,建立了一套计算刚性容器中液体小幅晃动阻尼的有限元计算方案,并将计算值与实验值以及经验公式值进行了比较.结果发现大部分情况下的实验值落在两种极端情况的计算值之间,此外如果将液面污染的Stokes边界层阻尼以一定的加权因子引入,可以获得与由实验数据拟合的经验公式一致的结果.     

低重环境下圆柱贮箱内液体晃动特性研究的一种解析法

考虑低重环境下圆柱贮箱内由于表面张力影响而呈现弯曲自由液面的情况,利用Fourier Bessel级数对贮箱受横向激励时的自由液面处的边界条件进行展开,得到液体晃动系统的广义状态方程,给出了固有频率、晃动波高、晃动力和晃动力矩等晃动特性的计算公式。通过数值算例与文献结果对比,在验证文中方法正确性的同时,具体研究了各晃动特性随充液深度、外激励频率和Bond数等参数变化的规律。     

利用气浮技术进行贮箱晃动试验方法研究

针对某型号大容积贮箱,其晃动特性直接影响到整个系统的动力学特性及轨道控制系统。为了获得该贮箱不同工况下的一阶自由晃动频率,首次提出利用气垫悬浮技术进行贮箱晃动试验的新方法,利用该方法设计出一整套试验系统,该系统包含试验件、激励系统、气浮控制系统、数据采集系统及加注排放系统等。使用试验系统开展不同工况条件下的液体晃动试验,并用CFD软件对该贮箱进行时域分析,结合傅立叶变换最终获得仿真结果。分析比较晃动试验结果、理论计算结果及CFD仿真计算结果,结果显示3种结果一致吻合,测试系统的可靠性和理论CFD仿真结果的正确性均得到验证。     

模态分析在液体晃动等效力学模型建模中的应用

针对传统方法在液体晃动等效力学模型建模中通用性差的缺点,提出了一种对弹性体有限元进行模态分析实现解算液体晃动特征问题的方法。推导了液体晃动力和力矩与有限元模态分析结果间的关系,建立了液体在横向激励作用下晃动的等效力学模型。以椭球底柱形贮箱为例,给出了不同充液深度时液体晃动频率、晃动质量和晃动质心位置的变化。结果表明:计算值与实验数据吻合较好,验证了方法的有效性与正确性。     

水平横向激励圆柱贮箱中液体的非平面运动

利用多维模态理论分析了受水平横向激励圆柱贮箱中液体的非线性晃动问题。首先求出描述液体非线性晃动的模态系统的稳态周期解,然后应用Floquet\|Lyapunov方法研究了周期解的稳定性,从而可以从理论上找到液体发生非平面的“旋转”运动时的频率范围。最后通过对液体晃动力的计算,发现其具有明显的“旋转”特征,可用于指导工程实际。     

液体多模态晃动充液航天器姿态机动复合控制

主要研究多模态液体晃动时充液航天器大角度姿态机动动力学与控制问题。采用液体晃动弹簧质量等效力学模型将液体燃料前两阶液体晃动模态纳入到充液航天器耦合动力学模型中;根据动量矩守恒定律推导出充液航天器耦合系统动力学方程。针对充液航天器大角度姿态机动同时抑制燃料晃动的问题,采用自适应动态输出反馈的姿态控制方法并结合基于前馈控制的多模态ZVD输入成型器设计复合控制器。通过数值模拟给出了液体晃动响应及航天器姿态机动的时间历程图,数值仿真结果表明了本文所给出复合控制方法的有效性。     

基于Fluent计算的火箭离轨姿态运动仿真与分析

在航天器姿态运动分析中常遇到液体的流动、晃动及流/固耦合等问题,针对这类问题建立精确的数学模型是很困难的,通常需要利用数值计算和仿真手段进行分析。利用用户互动功能(UDF),引入自定义的变量源函数,应用Fluent对运载火箭离轨姿态控制进行剩余燃料的流场数据分析。通过在流体运动方程中加入相关的牵连运动,得到在轨运行状态下贮箱内剩余液体的运动参数和对贮箱的干扰力矩,为运载火箭系统的姿态运动分析和仿真提供运算参数,使得流场的变化与运载火箭的姿态运动相关联,分析各个时刻流场运动状态对箭体姿态的影响。