深空探测柔性太阳帆航天器动力学建模与姿态控制

太阳帆利用太阳辐射压力提供太空航行的必要动力,由于具有理论上的无限速度和无需消耗任何燃料等优势,被认为是完成未来深空探测任务的有效技术途径之一.柔性太阳帆航天器的动力学模型包括多体动力学、刚柔耦合动力学和太阳辐射光压模型,复杂的动力学特性导致其姿态控制设计具有很强的挑战性.针对带有控制杆的柔性太阳帆航天器,本文采用拉格朗日方程和有限元法,给出了面向控制的解析式动力学模型.所推导的刚柔耦合动力学模型,刻画了太阳帆航天器的本质动力学特性,即双框架控制杆的短周期运动,姿态与柔性太阳帆的耦合效应,以及在太阳光压恢复力矩下的姿态静稳定性和长周期运动.基于带控制杆的太阳帆航天器的双时间尺度特性,提出了双回路控制结构,用于实现航天器俯仰轴和偏航轴的姿态控制.将内回路设计为PD控制器,用于实现质心位置的调整.将外回路设计为PID控制器,用于阻尼姿态运动,并实现在平衡太阳光压力矩下的姿态保持.从而将柔性太阳帆航天器的复杂姿态控制问题转化为两个低阶子问题,实现了在不同频带上的控制设计.仿真结果验证了动力学建模和姿态控制设计方法的有效性.     

旋转式太阳帆航天器姿态控制

姿态角的准确控制是太阳帆航天器能够成功应用的关键,具有十分重要的研究意义。旋转式太阳帆航天器由于没有支撑结构而表现出柔性特征,因此在对其进行姿态动力学建模及控制时,不能使用传统的刚性建模及姿态控制方法。针对在轨航行的旋转式太阳帆航天器,在物理模型的基础上利用混合坐标法建立其姿态动力学刚柔耦合模型。针对该模型,设计能够跟踪最优姿态角且同时抑制帆面柔性振动的控制器,并分析采用4个反作用喷气装置作为执行机构时的实现情况。仿真结果表明,设计的LQR控制器能够使旋转式太阳帆跟踪到最优目标姿态角并且有效抑制了柔性帆面的振动,旋转式太阳帆在轨航行过程中利用反作用喷气力矩来对其姿态角进行控制是可行的。     

柔性航天器动力学建模及模型降阶研究

针对柔性航天器振动影响飞行器姿态稳定性和精度.为了解决上述问题,提出了多柔体航天器的动力学建模.首先,根据工程实现的假设振型法,采用拟坐标拉格朗日方程,推导出带有刚体模态的二阶系统刚柔耦合动力学模型,其中,为了减少模型计算量,通过坐标变换将刚体模态和柔性模态解耦,利用一种刚体模态解耦的二阶不稳定系统的模型降阶方法,并对航天器多柔体系统动力学方程进行了仿真分析,结果飞行姿态稳定,满足了精度要求,表明了动力学建模与模型降阶法的有效性和正确性.     

柔性轮对结构振动对车辆动力学性能的影响

为研究轮对柔性对车辆动力学的影响,建立高速列车轮对的有限元模型,对轮对进行自由模态分析.通过模态综合法获取柔性轮对模态信息,应用多体系统动力学理论建立柔性轮对-刚性轨道接触力学模型;建立包含高速旋转柔性轮对的车辆-轨道耦合动力学模型,研究高速列车在直线和曲线通过时轮对结构振动对车辆动力学性能的影响.结果表明:轮对的结构振动对轮轨接触点位置、蠕滑率、蠕滑力和脱轨因数等均产生较明显的影响,但是对轮重减载率影响较小,因此应采用更加精确的柔性轮轨耦合模型研究轮轨相互作用、轮轨滚动接触疲劳和轮轨噪声等.     

水下柔性臂动力学建模方法研究

将柔性臂应用到水下环境,探索一种新型的水下作业工具。在空间柔性臂动力学建模方法的基础上,考虑水动力做功以及水动力对柔性臂变形的影响,首先基于Hamilton原理建立中心刚体-水下柔性臂组成的刚柔耦合系统的动力学模型,然后采用假设模态法对动力学模型进行离散化,导出了考虑刚柔耦合作用的水下柔性臂有限维离散化动力学方程。最后给出仿真算例,验证了动力学模型对于研究水下柔性臂末端变形的有效性,能够准确反映水下柔性臂动力学特性,可用于水下柔性臂的主动控制研究。     

柔性臂动力学模型中单杆的质量—弹性杆简化模型的讨论

多自由度串联柔性臂是强非线性系统 ,动力学模型往往很复杂 .这样的动力学模型对控制系统很难提供有效的设计依据 .因此系统模型降阶问题是柔性臂研究的热点问题 [1～ 3] .模态展开法是模型降阶中常采用的方法 .模态的求解及截断问题较复杂 .本文针对特定构型的柔性臂提出了一种简化的集中质量 -弹性杆动力学建模方法 ,并与模态展开法进行了比较 .结果表明 ,在类似的结构中这种方法有很好的精度     

中心刚体-柔性梁刚柔耦合动力学模型降阶研究

有限单元法被广泛的采用来描述柔性体的弹性变形,然而有限元节点坐标数目庞大,将会给动力学方程求解带来巨大的计算负担.如何降低柔性体的自由度,是当前柔性多体系统动力学研究的一个重要命题.本文以中心刚体-柔性梁系统为例,采用Krylov方法和模态方法进行降价.然后分别采用有限元全模型、Krylov降阶模型和模态降阶模型,对中心刚体-柔性梁进行刚-柔耦合动力学仿真.仿真结果表明,与采用模态降阶方法相比,采用Krylov模型降阶方法只需要较低的自由度,就可以得到与采用有限元方法完全一致的结果.说明Krylov模型降阶方法能够有效的用于柔性多体系统的模型降价研究.     

大变形柔性管道两相流流致振动研究

针对柔性管道内段塞流引起的结构大变形流致振动问题,本文采用分区强流固耦合方法建立了面向大变形两相流输运管道的双向流固耦合数值计算模型.基于流体体积法对气液两相流动界面进行追踪并结合任意拉格朗日-欧拉(ALE)动网格方法考虑流体域网格变形,同时采用有限元方法建立了柔性管道动力学模型,根据流体和管道壁面的相互作用构建强流固耦合计算模型.研究表明,在两相流作用下柔性管道的振动主要以类似一阶和二阶振动模态响应为主且会发生模态切换;模态切换与管内的液塞长度、液塞流动频率以及气液塞在管内的轴向分布有关;管道的大变形振动促进了短气塞的融合并显著改变了液塞的长度和频率,进而影响管道的振动和流型转变界限.     

航天器帆板展开过程动力学建模与仿真

阐述了应用柔性多体动力学和Kane方程进行航天器帆板展开过程建模的方法，将帆板视为柔性体并进行模态分析，采用有限元法与模态缩聚技术建立了帆板的离散化模型．以国产某型号航天器为例，同时考虑4块帆板的柔性，应用ADAMS软件对帆板的展开过程进行了建模与仿真，得到了帆板的变形、大范围运动等动力学参量，为航天器帆板的设计提供了一定的依据．     

微重力环境下刚液耦合系统液体晃动混沌现象研究

微重力下,柱形贮箱内液体晃动的速度势模态和表面位移模态难以解析表达,为揭示液-刚耦合运动的非线性特性,不失一般性地用常重力下液体晃动的速度势模态和表面位移模态近似表示微重力下液体晃动的速度势模态和表面位移模态.用泰勒级数展开法分析了微重力下柱形贮箱内的液体晃动,运用Lagrange方法导出了微重力下贮箱内液体与结构耦合系统的无量纲动力学方程组,并用Matlab软件对该方程组进行数值计算,发现当系统稳定时,面内、外模态分别具有同类的稳态动力学行为,包括静止、周期运动、准周期运动和混沌运动;在不同的外激励参数下,面内、外模态的稳态动力学行为发生变化.     

电动帆改进推力模型及深空探测性能分析

电动太阳风帆(简称电动帆)是一种利用太阳风动能冲力飞行的新兴无质损飞行器.针对电动帆传统推力模型中忽略了姿态对推力幅值影响的问题,本文推导得出了一种解析形式的改进推力模型,并与最新的多项式拟合改进推力模型进行了对比.对比结果显示两种改进推力模型数值结果很接近,但本文的解析改进推力模型形式更简单.为了重新评估电动帆在深空探测中的性能,以地球至火星的飞行任务为算例,分别采用传统推力模型和解析改进推力模型进行了电动帆轨迹优化仿真.仿真结果显示,在相同特征加速度情况下,采用改进解析推力模型完成任务所需时间,大于采用传统推力模型所用时间.上述现象的原因在于传统推力模型中忽略了姿态改变对推力加速度大小的影响,并高估了电动帆所能产生的最大推进角.     

基于Adams的太阳帆展开绳索的建模与仿真

在太阳帆旋转展开过程中,依靠端部系有质量球的对角线绳索的离心力展开方形帆面,绳索与中心毂轮法向方向会产生夹角.利用Adams建模仿真技术成功建立太阳帆展开绳索模型,并对太阳帆绳索展开进行仿真分析,得出绳索与中心毂轮法向的夹角与毂轮相对转速的关系,为太阳帆的结构设计与模拟试验提供参考.     

旋转电动帆推进性能指标分析

电动太阳风帆(简称电动帆,E-sail)是一种新兴的利用太阳风动能产生冲力,实现无工质消耗的空间推进技术.本文考虑由两颗微小卫星通过导线连接构成的电动帆系统,关注传统电动帆推力模型研究中忽略的电动帆姿态对推力的影响,采用旋转电动帆"哑铃"模型假设进行动力学建模.最后,针对日心非开普勒轨道环境开展算例仿真,计入太阳风库仑力摄动的影响,分析电动帆的推进性能指标.仿真结果表明,电动帆推进效率主要由导线长度、导线电势、卫星质量和相对于飞行方向的俯仰角决定.     

Deployment and control of flexible solar array system considering joint friction

It is well known that the traditional modeling theories adopt the Cartesian coordinates to establish the dynamic equation of solar array system. The order of this equation is often very high, which is inconvenient for controller design. The Cartesian coordinates are difficult to be measured in practice. In this paper, the joint coordinates are used as generalized variables to establish the dynamic equation of the solar array system. The single direction recursive construction method and the Jourdain’s velocity variation principle are used in modeling the system. The order of the established equation is lower, and the joint coordinates are easily measured in practice. Besides the dynamics modeling, joint friction and control design are extensively studied in this paper too. A three-dimensional revolute joint model is introduced, and the contribution of joint friction to the dynamic equation of the system is deduced. A fuzzy PD controller is designed to eliminate the drift of spacecraft caused by the deployment of solar array. In the end of this paper, numerical simulations are carried out to analyze the deployment dynamics and control effect of the solar array system with friction.     

Coupled Orbit-attitude Saturated Control for Solar Sail in Earth-Moon 3-body System

This paper aims to investigate a coupled orbit-attitude control strategy for a kind of novel spacecraft, solar sail, to track the given orbit in Earth-Moon 3-Body dynamic environment in presence of the matched and mismatched disturbances, attitude control saturation, orbital modeling error and parametric uncertainties. A cascaded triple-loop control structure is proposed to deal with the strong couplings between the orbit and attitude systems. The inner loop focusing on the orbital effects on attitude dynamics, an adaptive saturation controller is proposed to achieve attitude angular tracking, where the uncertain inertia, unknown matched disturbance and saturated attitude control torque are compensated by combining the unknown knowledge. The middle loop is to handle the orbit effects on attitude kinematics facing the mismatched disturbance. In the outer loop, the effects of attitude system on orbit dynamics are deal with, where an adaptive orbit controller is designed considering the uncertain optical parameter and orbital modeling error. The proposed control structure efficiently simplifies the coupled orbit-attitude control design for solar sail. In contrast to traditional coupled controllers for solar sail, the proposed control laws do not require exact knowledge of parametric uncertainties, disturbances and orbit modeling errors. The combination of unknown information reduces the number of estimated parameters as well. The numerical simulation results demonstrate the effectiveness of the proposed control strategy.

     

Dynamics of satellite with deployable rigid solar arrays

This research is concerned with the dynamic modeling of satellite with deployable solar arrays equipped with strain energy hinges (SEH). The SEH is a new deployment device consisting of a strip tape measure, which utilizes the buckling behavior of a thin curved shell to produce nonlinear dynamic characteristics during deployment of solar arrays. For dynamic simulation, the SEH is assumed to be a massless-nonlinear elastic member and the solar panels are assumed to be rigid bodies which are connected by the SEHs. The planar deployment is of interest in this study since the deployment of solar arrays mainly occurs in a two-dimensional plane. In deriving the equations of motion, we developed a new systematic approach suitable for the simulation of solar array deployment in space. The simulation results were compared to the ground experimental results obtained at the laboratory of Korea Aerospace Research Institute. In the ground experiments, the hub of the solar arrays was attached to the frictionless rotational bearing, and the solar arrays were hanged by bungee cables. Even though the dynamic model was derived for the space deployment of the solar arrays, the simulation result corresponding to the solar array deployment was similar to the ground experimental results thus validating the simulation model developed in this paper.     

MSC Adams/View二次开发技术在航天器太阳翼展开过程动力学分析中的应用

利用MSC Adams软件的参数化建模和二次开发功能,建立专为航天器太阳翼展开分析设计的仿真模块,为用户提供自动、快速的建模环境,使得进行航天器太阳翼展开过程的运动学和动力学分析工作效率更高、扩展方便,通过优化设计为设计者提供最优的设计参数.     

基于TS模糊区域模型的航天器姿态控制

由于燃料消耗和柔性部件展开等原因,挠性航天器的姿态动力学方程存在着参数的不确定性,因此,研究参数不确定TS模糊系统的鲁棒控制器设计方法,并将其应用到平面机动挠性航天器的姿态机动控制问题.将参数不确定TS模糊系统描述为TS模糊区域模型,根据PDC原理设计了模糊区域控制器,并用分段Lyapunov法证明了模糊控制系统的全局...