双储箱液体自衰减晃动分析

航天器在轨运行过程中,液体燃料晃动是破坏航天器稳定性、威胁航天任务安全性的主要因素之一.为此,有必要对液体燃料晃动进行研究.自衰减晃动是一种常见的液体晃动.本文主要针对双并联圆柱形储箱内液体自衰减晃动动态特性进行研究,以有限体积法为计算方法,采用两相层流模型,分析了不同重力环境下,液体燃料晃动对储箱侧壁面及底面作用的晃动力、力矩和波高随时间变化的特性,进而计算出液体晃动等效力学模型的相关参数.采用解析法推导了等效力学模型参数的计算公式,将有限体积法所得仿真解与解析解进行对比分析,证明了双储箱液体晃动仿真计算的可行性,为携带多储箱充液航天器的动力学分析提供了一定的理论基础.      

航天器交会对接中液体燃料晃动等效模型研究

以航天器交会对接过程中的平移靠拢段作为背景,研究适用于零重力和微重力环境下液体运动的等效力学模型.以欧空局无人货运飞船(ATV,automatic transfer vehicle)中建立的等效模型为参考,提出一种适用于零/微重力球形贮箱中液体晃动的弹簧-质量等效力学模型.该模型的各个参数通过将基于CFD计算的参数辨识方法和用于常重力液体晃动的传统建模方法结合运用来获取.对该模型进行介绍,然后描述等效模型参数的获取方法,并利用虚功率原理推导了晃动力和力矩的求解方程.通过与CFD软件Flow-3d的结果进行对比,对这种建模方法的可行性和准确性进行了分析.     

卫星闭环姿控下的双组元四贮箱液体晃动联合仿真研究

首先介绍了基于UDP通讯协议实现的贮箱液体晃动联合仿真方法.该方法采用FLUENT计算运动贮箱的液体晃动力、力矩、质心结果,星体动力学程序在获取贮箱晃动结果后通过控制算法和策略计算星体运动的线速度和角速度.两者之间的双向数据交换,通过C/C++语言开发的通讯接口来实现.然后借助上述联合仿真方法,开展了贮箱晃动联合仿真分析,并与在轨遥感数据进行了对比,然后分析了俯仰0~25°机动工况的4贮箱液体晃动特性,最后对比分析了带孔和无孔叶片在星体动力学控制下的液体晃动特性.非沿轨迹工况下,2、3号贮箱的晃动力和力矩峰值大于1、4号贮箱,4个贮箱的Y向晃动力峰值在1.05~1.96 N,力矩值在0.05~0.36 N·m;带孔叶片对液体的搅动作用要弱于无孔叶片.无孔叶片搅动的气泡出现了明显的拉伸与离心运动,并导致更大的流体流动速度.     

微重状态下带有隔板的球形贮箱内液体晃功特性的研究

本文研究了微重环境下带有隔板的球形腔体内液体晃动动力学利用特征函数展开法,得到了自由振动和受迫振动解进而求出了液体振动的频率及液体晃动的等效力学模型,并给出了液体对腔壁的反力和反力矩.将数值结果和无隔板的球形贮箱内液体晃动参数作了比较,表明加隔板后有明显的防晃效果.      

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．     

充液航天器大角度机动自适应无源控制

研究了基于自适应无源控制的三轴稳定充液航天器大角度姿态机动问题.将液体晃动等效为黏性球摆模型，利用动量矩守恒定理推导出充液航天器耦合动力学方程.针对陀螺故障及无陀螺配置导致航天器姿态无角速度测量的情况，同时考虑存在外部未知干扰、转动惯量不确定性以及液体晃动位移不可测量的特性，设计自适应输出反馈无源控制，其中自适应更新律用于补偿外部未知干扰和估计液体晃动的位移变量.利用Lyapunov方法和LaSalle不变引理，证明该控制律不但可以保证闭环系统渐进稳定，而且可以保证二个期望平衡位置均达到稳定.仿真结果验证了本文控制方法的有效性.      

挡板对液体推进剂晃动力的影响

研究了全尺度重力探测卫星－Ｂ贮箱对于安装档板和不安装挡板情形下液体推进剂晃动的液体动力特性。结果显示,以重力瞬变加速度和重力梯度加速度为作用力的轨道加速度使液体推进剂产生了晃动,安装挡板使晃动幅度减小。由于推进剂在贮箱中上下运动的同时伴随着左右运动而产生了作用于贮箱上的力,通过液体推进剂与贮箱壁面的应力关系计算了作用在贮箱上的力。计算模拟结果显示,挡板产生的阻尼在减少流体晃恸 的同时也减少了流体作     

侧向微重力环境下板式表面张力贮箱内推进剂晃动行为分析

侧向微重力是航天器在轨飞行时在东西位置保持和南北位置保持状态时所处的加速度环境.由于航天器贮箱内推进剂在侧向加速度环境下的重定位过程易产生晃动,因此侧向加速度环境对贮箱内推进剂管理装置(PMD)的管理能力的要求更高.为确保板式贮箱对推进剂的在轨管理能力,需要开展一系列的数值仿真与试验对PMD的管理能力进行验证.本文以板...     

基于SPH方法的球形贮箱液体晃动动力学分析

针对发生液体破碎现象的航天器球形贮箱液体晃动问题,基于光滑粒子流体动力学方法（SPH方法）对N S方程进行离散近似,分别对核函数、应力张量、边界问题、邻域粒子搜索等方面进行选择确定或计算处理,最终得到基于SPH方法的流体动力学模型。通过建立包括不同燃料液体体积及不同挡板安装位置的仿真模型,分析了航天器球形贮箱的受力及局部压强。通过分析贮箱受力情况及设置测量点压强情况,得到运动参数对晃动的影响规律,为航天器球形贮箱的设计提供了理论依据。     

事件触发机制下的充液航天器姿态控制

针对液体大幅晃动、通信资源受限的充液航天器姿态控制系统,提出一种自适应滑模控制与事件触发机制相结合的控制策略。首先,针对固-液耦合的充液航天器姿态控制系统,选用滑模变结构控制来削弱液体大幅晃动的非线性影响,并设计自适应更新律在线估计不确定参数来提高系统的鲁棒性。然后,考虑星载计算机资源的限制,设计相对阈值的事件触发机制来决定控制输入信号的更新,从而减少控制器与执行器之间的信号更新对通信网络的占用。最后,仿真结果表明,在液体大幅晃动下,所提控制策略不但可以使航天器姿态控制系统最终收敛到任意小的界内,而且可以减少96%的控制信号传输,减轻航天器的通信负载。      

基于神经网络液体横向晃动时罐体受力的预测

用Fluent软件,VOF(Volume of Fluid)模型,对基准罐体在不同充液比下受到横向加速度时的受力进行数值模拟;以充液比、前两时刻基准罐体受力、加速度及将要经历的加速度作为输入,以下一时刻受力作为目标输出,选用合理的计算结果作为训练样本,建立基于BP神经网络液体横向晃动时基准罐体受力的预测模型,用158个样本对完成训练的网络进行可靠性验证,横向力、垂向力和侧倾力矩最大预测误差分别为8.88%,0.36%,1.38%,符合精度要求.基准罐体的时间步长和受力进行修正后,与一般圆柱及椭圆形罐体受力的大小和规律基本一致;对于作横向运动的柱形罐体,受力大小与罐体长度成正比.通过修正基准罐体的时间步长和受力,对一般圆柱及椭圆形罐体的受力也可实现BP神经网络的预测,为罐车动力学分析快速有效地提供所需数据.      

大容量推进剂贮箱液体晃动性能试验

对某种内带推进剂管理装置（PMD）的大容量推进剂贮箱内液体晃动性能进行试验.开展不同充液比工况下空壳贮箱液体晃动试验,分析比较晃动试验结果与采用等效动力学模型的液体晃动理论计算结果,两者结果一致吻合,试验系统可靠性和理论模型的正确性得到良好验证.然后开展了不同充液比工况下内带PMD贮箱液体晃动试验,试验结果表明贮箱内液体晃动性能受内部PMD结构影响明显.该试验研究结果为运载火箭和卫星的姿态和轨道控制系统的设计优化提供重要参考和数据支撑.     

罐车制动时液体晃动的仿真分析

采用Volume of Fluid (VOF) 模型对罐车制动时液体的晃动进行了数值模拟,对单室受力、受力位置及整车轴荷分配进行了计算,并通过与实验结果的对比验证了计算方法的可靠性.计算结果表明,无防波板时,随减速度增加,单室 x,y方向受力峰值增大,整车轴荷比增大;随充液比增加,单室x方向受力峰值先增大后减小,y 方向受力峰值增大,制动初始与结束时充液比越大轴荷比越大,1s左右充液比越大轴荷比越小;单室带防波板时,随防波板面积增加, x,y 方向受力峰值减小,当防波板面积大于横截面的40%时,增加防波板面积能显著改善罐体受力,且防波板面积越大轴荷比峰值越小.     

罐车转向时液体晃动的仿真分析

采用VOF模型对罐车转向时液体晃动进行了数值模拟,对单室受力及侧倾力矩进行了计算.计算结果表明,无防波板时,随向心加速度增加,竖直、水平方向受力峰值及侧倾力矩均变大;随充液比增加,竖直方向受力峰值增大,水平方向受力峰值与侧倾力矩峰值先增大后减小;带防波板时,竖直、水平方向受力峰值减小,当防波板面积大于纵剖面积30%时防波板面积的增加能显著改善罐体受力;侧倾力矩峰值先增大后减小,在防波板面积等于纵剖面积30%时达到最大值,当防波板面积大于纵剖面积40%时防波板面积增加能提高防晃效果.     

Adaptive predefined-time control for liquid-filled flexible spacecraft attitude stabilization during orbit maneuver

A predefined-time attitude stabilization for complex structure spacecraft with liquid sloshing and flexible vibration is investigated under input saturation during orbital maneuver. First, the attitude dynamics model of liquid-filled flexible spacecraft is constructed. Meanwhile, the influence of solar panel vibration and liquid sloshing is treated as a disturbance in the controller design. Next, an adaptive predefined-time control scheme is proposed by applying sliding mode control theory. A predefined-time convergent sliding surface and reaching law are designed to ensure the predefined-time fast convergence rate. Furthermore, a novel adaptive algorithm is developed to handle the disturbances from liquid sloshing and flexible vibration, ensuring that the system converges to a small neighborhood of the equilibrium. Additionally, a new auxiliary system is constructed to deal with the effects of input saturation. At last, one simulation case is performed to verify the feasibility and advantages of the proposed algorithm.