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.     

三维充液航天器的位置和姿态联合控制

考虑充液月球着陆器悬停避障阶段的控制问题,采用三维球摆作为液体晃动部分的等效模型.针对球摆与刚体耦合的三维动力学模型,给出动力学模型的矢量方程及各矢量在本体系的投影坐标,设计位置和姿态联合控制器.所设计的控制器可以稳定航天器刚体的位置和姿态,且只依赖刚体的位置和姿态,不依赖晃动角或者动力学方程,利于工程应用.利用LaSalle不变原理分析闭环系统的稳定性,给出期望姿态为竖直时系统渐近稳定的控制器参数选择依据.最后数值仿真验证控制方法的有效性.     

带多个充液贮箱航天器的自旋稳定性

本文研究带多个充液贮箱航天器的自旋稳定性问题,考虑了刚体相对于系统质心的平动、姿态、液体晃动三者的相互耦合作用,通过建立离散系统的动力学方程,导出了系统的自旋稳定性判据.     

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.     

充液挠性航天器姿态机动终端滑模控制

对存在未知外界干扰、参数不确定问题的刚–液–柔多体耦合航天器姿态控制进行了研究。将液体燃料的晃动等效为球摆模型，挠性附件假设为欧拉–伯努利梁，运用拉格朗日方法建立航天器的动力学方程。将外界干扰、航天器转动惯量的参数不确定性以及液体晃动和挠性附件振动带来的耦合干扰归结为集总干扰，设计干扰观测器对其进行补偿；在干扰观测器的基础上，设计一种模糊滑模控制律。在原有的终端滑模控制基础上采用模糊控制对切换增益进行改进，达到抑制系统抖动的目的。数值仿真结果表明：所设计的模糊终端滑模控制律不仅能够实现充液挠性航天器的姿态机动，而且能够有效抑制液体晃动和挠性附件的振动，具有更好的控制性能。     

挠性充液航天器复合自适应姿态机动控制

主要研究了刚-挠-液耦合航天器的大角度姿态机动问题.将液体燃料的晃动等效为二阶的弹簧质量模型,挠性帆板假设为欧拉-伯努利梁,考虑外部未知干扰力矩、系统的状态变量不可见以及姿态机动引起的液体晃动及挠性体振动的抑制问题,结合模糊控制和输入成型技术,设计了一种基于Lyapunov第二法的自适应输出反馈复合控制方法.其中模糊控制器用于动态优化复合控制器内的参数,增强其鲁棒性;多模态的输入成型前馈控制器用于抑制液体晃动和挠性附件振动的位移响应.数值模拟给出了各状态变量的时间历程图,仿真结果显示复合控制器在实现姿态跟踪误差渐近收敛的前提下明显地减小了液体晃动及挠性附件振动的位移响应,验证了本方法的有效性.     

挠性充液航天器超近程逼近段动力学建模与控制

超近程逼近过程中,服务航天器为刚柔液耦合的复杂系统,单摆等液体晃动模型不再适用,对这种工况下的航天器进行了动力学建模与控制的研究。采用虚功率原理推导了一种新的适用于三轴推力作用下的液体晃动等效模型,通过引入相对位置导引矢量与相对位置误差矢量,建立了相对轨道误差动力学模型,结合相对姿态动力学模型,得到超近程逼近段的刚柔液耦合的相对轨道姿态动力学模型。针对模型存在的不确定性和未知干扰,设计了基于滑模估计器的相对姿轨耦合控制律。通过数学仿真验证了控制律的有效性,仿真中的晃动结果与Flow-3D结果能够吻合,验证了晃动模型的合理性。     

航天器相对姿态跟踪的非线性前馈控制

针对航天器相对姿态跟踪过程中严重的非线性及控制器设计的复杂性,建立了基于修正罗德里格斯参数的航天器相对姿态运动学和动力学方程并根据Lyapunov直接法设计了非线性前馈控制律.设计的控制律不仅保证闭环系统稳定,还使得航天器相对姿态跟踪误差快速收敛到零点邻域内.通过在Matlab/Simulink环境下对航天器相对姿态跟踪进行数值仿真,验证了建立模型和设计控制律的有效性.     

考虑燃料晃动效应的航天器自适应滑模姿态控制

针对一类带有球形储液箱的航天器,在将其等效为单摆模型的基础上,分析了系统方程的特点,将系统的状态变量分为两部分,并考虑到在航天器机动过程中燃料消耗作用的影响,导致系统方程中的三个重要参数发生变化.基于以上原因,设计了一种自适应分层滑模控制器,采用李雅普诺夫函数法求取自适应控制律和总的控制量,保证闭环系统的稳定性.最后通过仿真验证这种控制器设计不仅可以使系统姿态在短期时间之内达到稳态,还同时抑制了液体晃动产生的影响.     

有限推力下的航天器绕飞轨道保持与控制

基于线性动力学模型,研究了有限推力下的航天器绕飞轨道保持与控制问题.首先,针对绕飞轨道控制问题推导了精确的动力学模型,给出了经过线性化的动力学方程.然后,在线性二次性最优控制理论的基础上,设计了一种针对绕飞轨道的反馈控制系统,同时为了实现有限推力,设计了一个有界的非线性环节对控制加速度进行限制.数值仿真结果证明了所设计的控制系统渐进稳定、收敛快速,并且具有良好的控制精度.最后,通过计算不同相对位置误差时轨道控制系统需用的发动机工作时间,估算了轨道维持与轨道控制的燃料消耗量.      

Dynamics and control for contactless interaction between spacecraft and tumbling debris

Tumbling debris has become a great threat to orbit activities. Contactless interaction is a novel concept for active debris removal, through which the tumbling debris no longer rotates freely but is under control. The contactless interaction method aims to de-tumble the debris and then maintain desired relative states between the spacecraft and debris. The spacecraft is simultaneously stabilized through three-axis attitude control, which makes the de-tumbling and capture operation much safer, more effective and accurate. The dynamics and control for the contactless interaction have been little studied in the past years. This paper considers a generic dynamics and control problem for contactless interaction between a spacecraft and debris. A translational and rotational dynamics model of contactless interaction is proposed and the 6-DOF equations are established. The contactless interaction control law is designed with the backstepping method, and the spacecraft three-axis control law is designed with the PD control. Simulation results show that the angular momentum is transferred from the debris to the spacecraft and the debris is thus de-tumbled. The desired relative states are achieved efficiently. Significantly, the spacecraft and debris no longer rotate in the inertial frame and, hence, the safety and accuracy for capture operation are guaranteed.     

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。     

柔性航天器动力学建模的伪坐标形式Lagrange方程

航天器动力学建模过程中，常采用伪坐标形式Lagrange方程。文章针对多柔体航天器的情况，利用Hamilton原理，导出了柔性航天器动力学建模的伪坐标形式Lagrange方程，并由此建立了由中心体和柔性附件组成的全柔性航天器的动力学方程。     

空间交会中多圈Lambert变轨算法研究

用两个位置和飞行时间来决定轨道的问题 ,即Gauss问题 ,是航天动力学中的一个基本问题。而Lambert交会问题是Gauss问题在航天器空间交会领域的具体化。文中提出了一种新的算法 ,解决了航天器多圈Lambert变轨的求解问题 ,由此来寻求在飞行时间较长的情况下 ,航天器的Lambert交会燃料最优轨道 ;并由算例验证了这种算法的正确性和鲁棒性     

柔性航天器的动力学建模问题

首先简单介绍了关于柔性航天器动力学建模的一些综述论文,指出了柔性航天器动力学建模的困难所在。然后,分别对柔性体变形运动的描述模型,浮动参考架的选择、动力学方程的建立和模型降阶等问题进行了探讨。     

Investigations of an integrated angular velocity measurement and attitude control system for spacecraft using magnetically suspended double-gimbal CMGs

This paper presents an integrated angular velocity measurement and attitude control system of spacecraft using magnetically suspended double-gimbal control moment gyros (MSDGCMGs). The high speed rotor of MSDGCMG is alleviated by a five-degree-of-freedom permanent magnet biased AMB control system. With this special rotor supported manner, the MSDGCMG has the function of attitude rate sensing as well as attitude control. This characteristic provides a new approach to a compact light-weight spacecraft design, which can combine these two functions into a single device. This paper discusses the principles and implementations of AMB-based angular velocity measurement. Spacecraft dynamics with DGMSCMG actuators, including the dynamics of magnetically suspended high-speed rotor, the dynamics of inner gimbal and outer gimbal, as well as the determination method of spacecraft angular velocity are modeled, respectively. The effectiveness of the proposed integrated system is also validated numerically and experimentally.     

基于主动约束层阻尼控制的大型挠性航天器动力学模型

以大型挠性航天器简化模型——中心刚体和固接板混合系统为对象,同时考虑板表面粘贴的主动约束层阻尼结构,根据拟坐标拉格朗日方程,建立了包含所有高阶小量的完整动力学模型。建模时,采用混合坐标描述中心刚体和主动约束阻尼板的运动,用Golla-Hughes-Mctavish模型描述阻尼材料的复模量。基于该动力学模型可进行空间柔性板振动的主动约束阻尼控制器设计和大型挠性航天器的姿态动力学研究。