多贮箱航天器刚液柔控耦合动力学

【作者】 岳宝增； 刘峰； 吴文军；

【机构】 北京理工大学宇航学院；

【摘要】 航天器在进行轨道转移、姿态调整、附件机动等过程中,将不可避免的会引起贮箱内的液体晃动和柔性附件的振动,从而导致航天器系统产生刚-液耦合、刚-柔耦合及刚-液-柔耦合等复杂的耦合动力学效应,并对航天器姿态、轨道控制系统的控制精度产生较明显的影响,甚至会出现航天器系统整体的失稳。本文以此为研究背景,对在低重力环境下运行的携带有多个充液圆柱贮箱及机动柔性附件航天器的耦合动力学进行较系统的研究。首先推导了带多充液圆柱贮箱刚性航天器中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;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晃动动力学状态方程。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运动动力学方程,进一步联立上述动力学方程得到航天器整体系统的刚-液耦合动力学状态方程,通过计算实例验证所编程序准确性的同时,具体研究了贮箱布局、燃料不均匀消耗、外激励形式等对航天器动力学特性的影响。进一步运用具有统一形式的准坐标系下的拉格朗日方程建立了带多充液圆柱贮箱及柔性附件航天器的耦合动力学状态方程,编制相应的模块化计算程序,得到适用于带多充液圆柱贮箱及柔性附件航天器的刚-液-柔或刚-液-柔-控耦合系统动力学分析的完整计算体系和仿真平台;通过具体算例仿真,研究了该类航天器在不同工况下的刚-液-柔耦合动力学性能。基于输入成型技术设计出了航天器姿、轨坐标追踪控制的复合自适应终端滑模控制器;并通过数值算例,研究了带充液圆柱贮箱航天器刚-液-控耦合系统的动力学特性。更多还原