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关于航天器动力学与控制的研究进展与展望

  1引言
  航天器是人类进行太空活动、探索宇宙、执行空间任务的载体.自第一颗人造地球卫星成功发射以来,航天技术呈现出雨后春笋般的发展态势,极大而深刻地影响了人们生活的诸多方面.航天器动力学与控制的研究有助于为航天器各阶段的平稳可靠运行提供重要的理论依据与工程经验,在航天技术的发展中起到举足轻重的作用.随着航天器技术的迅速发展与形式的多样化,其功能与构造日趋复杂,技术需求不断发展,所涉及的研究领域逐渐扩大.航天器动力学与控制的研究内容十分丰富,本文仅概括介绍近年来国内外航天器动力学与控制方面的若干热门研究问题,以及相应领域的研究进展,并指出航天器动力学与控制领域的发展趋势.按照研究对象间的相互关系,航天器动力学与控制可分为跨航天器动力学与控制、航天器系统级动力学与振动控制,以及航天器部件级动力学与振动控制3个方面,各方面又包含若干研究主题.本文将采用这一分类方式对航天器动力学与控制的研究概况进行介绍,并对今后的研究内容作出展望.
  2跨航天器动力学与控制
  跨航天器动力学与控制研究在空间运行过程中与航天器之间相互作用有关的动力学与控制问题,包括星箭耦合、空间分离、空间交会、空间对接的动力学与控制以及绳系卫星动力学与控制等.在研究过程中着重考虑两个或多个航天器间的相互作用、分析其相互影响,以及由此而引发的交互动力学行为及其控制.
  3航天器系统级动力学与控制
  3.1航天器轨道动力学
  航天器轨道动力学的研究由天体力学发展而来,主要研究内容是航天器质心的平动规律和动态特性,具体包括:二体问题、多体问题、轨道摄动、轨道设计、轨道转移、轨道测量、轨道确定与控制等方面,为航天器轨道设计和轨道控制系统设计提供相关依据.肖业伦和张晓敏研究了编队飞行卫星群的轨道动力学特性,提出了编队飞行的轨道构形设计的原则和方法.崔乃刚和刘剑锋详细推导了微小卫星编队飞行轨道动力学方程,在此基础上应用势函数方法,根据Lyapunov稳定性理论给出了基于开普勒椭圆轨道的编队飞行卫星相对位置保持的连续和离散控制律.
  王佳等主要针对航天器轨道机动的灵活性问题开展了研究,根据追踪器与目标器的相对轨道位置关系,计算各种具体情况下不同轨道机动策略的时间及能量消耗.随后建立了航天器轨道机动时机的模型,并进行了仿真分析,得出了航天器的机动能力对于轨道机动时机的影响关系.林来兴研究了绕飞轨道动力学和稳定性,以及在有外界摄动情况下的轨道保持控制策略.
  3.2航天器姿态动力学与控制
  航天器姿态动力学主要是研究航天器绕其质心转动运动规律和动态特性的力学学科,通常是从动力学特性角度分析可视作刚体的航天器绕其本体坐标轴转动的动力学问题,具体包括空间场稳定航天器姿态、自旋稳定航天器姿态、三轴稳定航天器姿态等的动力学与控制设计,通过姿态动力学特性研究,为航天器总体设计和姿控系统设计提供依据.
  3.3轨道与姿态耦合动力学
  现代大型航天器,由于内外环境交变以及由于推力器安装控制误差会导致航天器的轨道与姿态运动相互影响,称之为轨道与姿态运动耦合.研究轨道与姿态耦合问题即是研究各种耦合源,联合建立航天器轨道与姿态动力学模型,并对其进行求解.
  描述空间飞行器的运动通常分为两部分,即轨道运动和姿态运动.这两部分运动曾经一度被认为是独立的,分析过程也是分开进行的.然而对于空间站这样的大型空间飞行器以及卫星编队来说,这两部分运动并非独立,而是存在耦合.国内学者在这方面做了大量工作,荆武兴等利用保守力系的拉格朗日方程导出了有摄动的空间站轨道一姿态藕合动力学模型,并进行了数值模拟,为我国空间站的轨道保持系统和姿态稳定系统的设计提供了有价值的参考.
  4航天器部件级动力学与控制
  航天器部件级动力学主要研究以航天器部件为对象的各类动力学问题,具体包括部件结构动力学、部件展开动力学、部件锁定撞击动力学、空间碎片超高声速撞击动力学、贮箱晃动动力学、贮箱液固耦合动力学、部件隔振与阻尼动力学等问题.
  4.1部件结构动力学问题
  部件结构动力学主要研究航天器中各种次结构的固有频率特性及在外载荷激励下的动力学响应问题,以及部件结构成形过程动力学特性,为部件结构设计及成形工艺设计提供依据.马凯等基于非线性弹性理论的绝对节点坐标方法,研究了横向框架在贮存段、消旋段、提升段和套筒外的动力学特性,实现了索–刚体组成耦合系统的多体动力学数值仿真.蒋建平和李东旭针对带梁式挠性附件的航天器,在计及挠性附件变形位移场耦合作用的基础上,建立了航天器的刚柔耦合一次近似动力学模型.仿真结果说明,在航天器经历大范围刚体运动时,该动力学模型能够正确预示挠性附件的动力学行为.挠性附件的振动频率随着大范围刚体运动速度的增加而增大,出现了动力刚化现象.李俊峰和王照林以定轴转动的中心刚体和柔性伸展附件组成的刚柔耦合系统作为航天器模型,研究系统的部分变量稳定性问题.李智斌等针对非线性刚柔耦合系统,同时考虑了柔性附件的横向弯曲变形对系统动态特性产生影响,以及柔性附件的拉伸变形、截面转角变化同弯曲变形的相互耦合作用,建立了伸缩运动同柔性变形、姿态运动之间的非线性耦合动力学模型,然后基于能量积分和动量矩积分构造首次积分,分析了非线性耦合系统的运动稳定性.
  4.2部件展开动力学
  部件展开动力学主要研究航天器在约束状态下部件(如太阳阵、天线等)展开过程的运动学与动力特性,包括链状多刚体部件展开动力学、树状多刚体部件展开动力学及多柔性部件展开动力学等,为可展部件结构设计与展开驱动机构设计及地面试验验证提供参考.陈务军等以欧拉参数为广义坐标(准坐标),相对角速度和相对移动速度为广义速率,采用Kane方程的Huston形式建立多体系统的运动力学方程.由伪上三角分解求约束Jacobi矩阵的正交补阵,约简约束力,从而将运动方程由微分几何方程变为常微分方程,并由Gear法对常微分方程积分求出运动历程.马兴瑞等分析了复杂航天器在柔性附件展开过程中的几个关键问题,并提出了相应的解决方案,编制了应用软件.分析了附件的展开过程,并讨论了包括卫星姿态角和姿态角速度的变化规律、柔性附件的展开运动及其弹性振动等.陈统和徐世杰用Newton-Euler法建立了中心刚体带挠性附件的航天器动力学方程,研究附件展开对主体姿态的影响.卫剑征等针对充气展开支撑管,提出了分段式充气体积控制模型,分析了支撑管每折叠段的气压变化,上横板的动力学特性以及基板的平面外振动,预报了展开过程中支撑管与基板的接触碰撞,并通过悬吊式展开试验验证了计算结果.白争锋等采用非线性等效弹簧阻尼模型建立了间隙处的接触碰撞模型,考虑铰间间隙处的摩擦作用,对一单翼小卫星太阳帆板展开过程进行了数值仿真,分析了间隙对卫星本体姿态运动及帆板展开过程的影响.何柏岩和王树新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,并考虑了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.
  4.3部件锁定撞击动力学
  部件锁定撞击动力学问题主要研究航天器部件(如太阳翼铰链、机械臂关节等)在展开锁定过程中的撞击载荷等动力学参数的幅值和变化规律,建立和确定相应的工程使用的内撞击动力学模型并进行分析,为部件结构设计与展开驱动机构设计提供依据.
  5总结与展望
  本文总结了近年来航天器动力学与控制多方面的研究进展,目前航天器的结构特征已经向大型空间站、微小卫星、深空探测等方向发展,由此将激发起关于航天器动力学与控制各领域的深入研究.表现为航天器结构的多耦合、非线性、极端外界环境,以及大尺度柔性结构等特征.研究方法将覆盖理论分析、数值仿真,以及实验模拟等诸多方面.以下几个方面将成为航天器动力学领域中值得注意的研究重点以及主要发展方向:
  (1)大型航天器姿态–轨道–结构耦合动力学建模与协同控制.随着空间站计划的实施和大型可展开天线、太阳能电池翼等空间挠性附件的普遍应用,大型航天器姿态运动、轨道运动以及结构振动的交互作用越来越明显.与此同时,大型航天器的控制性能指标大大提高,系统不仅要求航天器姿态要具有高指向精度和稳定度,其他活动部件也要具有高定向精度和形状控制精度,这些系统特性对大型航天器的动力学建模及控制系统的设计提出了严峻挑战.例如,以舱段式空间站为背景,研究姿态机动、轨道运动、挠性附件振动间的交互作用,对航天器姿态–轨道–结构耦合系统进行耦合动力学设计等.
  (2)航天器结构主/被动振动控制新技术.大型运载火箭、导弹等通常对振动环境有严格的要求,强烈的振动会严重地影响各种有效载荷的正常工作,导致系统性能下降甚至失效,直接威胁航天器结构的安全.这就需要采用适当的主/被动控制策略对航天器结构的振动进行抑制.与国际上振动主/被动控制技术的发展及其在航天领域的实际应用相比,我国航天器振动控制技术的研究与应用尚有差距.而随着我国航天事业的发展,航天器规模越来越大,功能越来越复杂,精度要求越来越高,这对航天器及其有效载荷的振动抑制技术提出了更高的要求.因此,开展航天器的主/被动隔振与控制新技术的研究具有重要的理论意义和实际应用价值.
  (3)航天器对接动力学建模与分析.对接技术是空间交会与对接的技术,只有掌握相关技术,才能具备建设空间站的基本技术和能力,人类才能自由出入太空,更为有效地开发宇宙资源.开展包括诸如航天器硬对接过程中接触碰撞动力学建模与缓冲技术等在内的相关研究,从而为航天器对接动力学的应用提供技术保障.
  (4)深空探测中的典型动力学与控制问题.在深空探测任务设计中,动力学与控制扮演着举足轻重的角色,有很多动力学与控制相关的基础问题需要解决.例如,在深空探测车的车辆动力学与系统协调操纵特性研究中,月球探测车必须具备良好的操纵平顺性、稳定性和安全性.因此有必要对月球探测车的动力学特性进行研究,为月球探测车移动系统的运动控制提供理论基础.从理论研究的研究角度看,需要以深空探测中的新概念、新技术和新任务为背景,提炼出动力学与控制相关的基础性、科学性问题,开展系统深入的研究,既可为中国未来的深空探测技术做理论储备,又可以促进动力学与控制学科自身发展.
  综上所述,在今后航天器的发展过程中,需将动力学原理运用于航天器的结构设计,结构振动与姿态机动的协同控制,发展航天动力学的基础理论,从而适应更为复杂的航天任务要求,满足科学研究以及宇宙开发等各领域的需要。