大型网面天线在轨展开过程与卫星耦合动力学研究

【作者】 董富祥； 周志成； 曲广吉；

【机构】 中国空间技术研究院通信卫星事业部；

【摘要】 大型空间网面天线具有展开前后惯量变化大,展开初期冲击大,展开时间长等特点,属于典型时变构型、时变参数航天器,对航天器控制系统设计与评估提出了新挑战。短时间内天线展开尺寸可达几米乃至数十米,整星惯量沿俯仰轴和滚动轴惯量较天线展开前大幅增长,使得天线展开期间卫星成为典型的时变参数系统。传统的柔性航天器动力学分析方法可以获得航天器耦合系数以对航天器控制系统进行设计,但耦合系数属于某一特殊构型下卫星与天线耦合系数,难以对天线展开期间天线对卫星干扰力矩进行模拟。大型天线展开期间将对整星造成较大干扰力矩,造成卫星姿态发生较大变化。准确获得天线展开干扰力矩对预示整星在轨姿态变化,对确定卫星控制系统天线展开整星控制模式及评估相应设计参数正确性具有重要意义。柔性多体系统动力学建模方法可以建立考虑各活动部件在内的天线展开期间整星动力学模型,获得天线展开对卫星干扰力矩影响。针对大型天线展开多体动力学问题,建立了考率了有限元离散柔性杆、带驱动卷簧的同步齿轮铰链、滑移铰链和非线性拉索驱动模型,通过集中质量参数法建立了大范围运动非线性网索阵和金属反射网动力学模型,获得了天线桁架、张力索网阵与星本体及其他柔性部件耦合动力学方程。在此基础上,采用等效法获得了天线展开期间变参数航天器驱动力矩时间历程,提出了基于多体动力学的天线展开期间整星变参数简化力学模型,弥补了天线展开模式输入参数不足缺点,改变了以往柔性动力学仅能考虑天线展开少数构型,无法考虑连续展开过程的固有缺陷,避免了空间大型天线展开期间质量惯量特性不准确问题,为这类携带空间大型可展开结构航天器控制系统设计提供了解决方法。最后针对这类变构型、变参数复杂航天器动力学与控制问题,提出了多体动力学与卫星控制系统联合仿真方法,为复杂变构型、变参数航天器连续运动过程控制系统总体仿真奠定了理论与算法基础。更多还原