太阳阵展开动力学与控制研究

发布时间：2017-12-01 14:10

本文关键词：太阳阵展开动力学与控制研究

【摘要】：随着空间科学技术的发展,航天器的空间活动和在轨任务日趋多样化,航天器的部件结构也变得愈来愈复杂。考虑到航天器的重量、有效载荷和发射成本等因素,轻质和柔性附件在航天器工程中大量被使用,构成了当今所谓的柔性多体动力学系统,柔性效应在系统动力学建模中已经成为不可忽略的关键问题。另一方面,现代航天器系统对空间定位、操作精度等提出了更高的要求,航天器上各个展开机构之间的铰链不可避免地存在着摩擦、间隙等非光滑因素,这些因素会对系统的动力学特性造成重要的影响,目前关于这些问题的研究也是航天器科学与力学领域中的热点与难点问题之一。太阳阵是航天器的至关重要的部件,它为航天器的在轨工作提供电力。现代航天器空间任务的日益复杂化和多元化要求太阳阵的尺寸足够大、且质量应较轻,因此航天器上大多带有大型柔性太阳阵,其柔性特征须在系统动力学建模中予以重点考虑。考虑到运载工具自身装载空间的限制以及在发射过程中运载工具会承受较大的环境负荷,太阳阵在航天器的发射阶段通常处于收拢状态,当航天器入轨后太阳阵的压紧机构释放,以实现太阳阵各基板的展开与锁定。太阳阵的展开和锁定过程会发生复杂的刚柔耦合动力学行为,太阳阵的展开会对航天器本体造成冲击,引起航天器本体的位形发生变化,而航天器本体的位形变化反过来也会影响太阳阵的展开动力学特性。因此,开展太阳阵展开动力学与控制问题的研究具有重要的理论意义和工程应用价值。本学位论文在国家自然科学基金(11132001,11272202)、航空科学基金(20120157002)和上海市教委科研重点项目(14ZZ021)的资助下,开展了航天器太阳阵的展开动力学与控制问题的研究,主要研究内容和成果总结如下:(1)开展了太阳阵的多刚体系统展开动力学与控制问题的研究。首先,给出刚性太阳阵系统的结构描述并建立系统各机构的等效物理、数学模型;然后,采用独立的广义坐标即铰坐标详细推导了太阳阵多刚体系统的动力学方程;进而,采用常规PD控制方法和模糊自适应PD控制方法对航天器姿态的主动控制问题进行了研究;最后,开展数值仿真研究,验证本文理论的有效性。数值仿真结果显示,本论文所建立的多刚体系统动力学模型能够有效地描述刚性太阳阵的展开动力学过程,模糊自适应PD控制比常规PD控制方法具有更好的控制效果。(2)开展了太阳阵的多柔体系统展开动力学与控制问题的研究。首先,给出太阳阵的柔性基板的等效计算方法,并采用有限元理论建立太阳阵各柔性等效基板的离散化有限元模型,以提取柔性体的模态信息;然后,采用独立的广义坐标即铰坐标和柔性基板模态坐标的混合形式详细推导了柔性太阳阵多体系统的动力学方程;进而,研究了航天器姿态控制的常规PD控制方法和模糊自适应PD控制方法;最后,通过数值仿真对本文所给方法的有效性进行了验证。数值仿真结果显示,本论文所建立的多柔体系统动力学模型能够有效地预测柔性太阳阵的展开时间历程和航天器姿态响应,帆板的柔性效应对太阳阵展开动力学有一定的影响,模糊自适应PD控制比常规PD控制方法具有更好的控制效果。(3)开展了考虑铰摩擦的太阳阵展开动力学问题的研究。首先,给出了工程中常用摩擦模型建模方法的阐述;然后,基于虚功率原理并且分别采用拉格朗日乘子法和牛顿-欧拉单向递推法推导了铰摩擦对系统动力学方程的贡献,同时分别基于LuGre摩擦模型和3D鬃毛摩擦模型建立起了封闭的多体系统动力学方程;最后,通过数值仿真研究了铰摩擦对太阳阵多体系统动力学特性的影响。仿真结果表明,铰间摩擦会对太阳阵的展开动力学和航天器的姿态造成影响。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V414;V442

【参考文献】

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