燃料消耗下充液航天器等效动力学建模与分析

发布时间：2021-05-09 03:57

　　在轨航天器贮腔内的液体可能表现出多种不同的运动模式,主要包括液体相对于贮腔的整体性刚体运动、自由液面横向晃动、液体起旋后逐步发生明显的旋转晃动及液体自旋运动;复合三自由度刚体摆晃动模型能够较为全面地描述这些液体运动模式,同时为研究起旋阶段的液体晃动动力学问题提供了有效手段.本文对非线性液体晃动刚体摆复合模型作进一步发展,考虑模型等效参数随贮腔充液比的变化,提出了变参数的刚体摆复合模型,该模型适用于研究燃料消耗下非线性晃动类充液航天器大范围运动耦合动力学问题.采用刚体摆复合模型对球形贮腔内的液体晃动进行等效后,基于混合坐标意义下的拉格朗日方程推导了一类充液航天器轨道-姿态-晃动全耦合的动力学方程组,并展开了充液航天器大角度三轴稳定姿态机动和零冲量轨道机动仿真以及航天器耦合动力学响应特性分析.研究表明:液体相对于贮腔的运动会造成航天器主刚体位置发生偏移,当航天器在执行零冲量机动时,燃料消耗会造成航天器的轨道平动速度无法收敛到零;贮腔偏心布放时,航天器在执行轨道机动过程中贮腔内液体易发生剧烈而且形式复杂的晃动行为,进而可能造成航天器刚体运动的不稳定. 

【文章来源】：力学学报. 2020,52(05)北大核心EICSCD

【文章页数】：11 页

【文章目录】：
引言
1 考虑燃料消耗的刚体摆复合模型
2 充液航天器刚-液耦合动力学模型
    2.1 系统运动描述
        2.1.1 航天器主体的姿态运动
        2.1.2 航天器主体的轨道运动
        2.1.3 等效液体晃动刚体摆复合模型的运动
    2.2 系统动能
    2.3 系统势能
    2.4 耦合系统的拉格朗日方程
    2.5 充液航天器动力学方程组
3 仿真计算与分析
    3.1 大角度三轴稳定姿态机动
    3.2 零冲量轨道机动
4 结论


【参考文献】：
期刊论文
[1]轴对称贮箱内液体大幅晃动的复合等效力学模型[J]. 苗楠,刘战合,王晓璐,王菁,李国举.  中国科学:物理学 力学 天文学. 2020(07)
[2]多充液贮腔航天器耦合动力学与姿态控制[J]. 刘峰,岳宝增,唐勇.  宇航学报. 2020(01)
[3]航天器贮箱内液体大幅晃动动力学分析[J]. 于强,王天舒.  中国科学:物理学 力学 天文学. 2019(02)
[4]多储液腔航天器刚液耦合动力学与复合控制[J]. 岳宝增,于嘉瑞,吴文军.  力学学报. 2017(02)
[5]航天工程中的贮箱类液固耦合动力学建模及耦合机理研究[J]. 苟兴宇,王本利,马兴瑞,黄怀德.  强度与环境. 1998(01)
[6]复杂结构充液航天器晃动动力学与姿态稳定性[J]. 王照林,全斌,邓重平,王士敏.  宇航学报. 1991(02)

博士论文
[1]液体大幅晃动等效力学模型及航天器刚—液—柔—控耦合动力学研究[D]. 邓明乐.北京理工大学 2017



本文编号：3176574