航天结构空间组装动力学与控制研究进展

空间组装是建造空间站、大型卫星天线、大口径空间望远镜、空间太阳能电站等大型和超大型航天结构的重要手段.然而,航天结构组装过程将面临构型增长、参数变化、轨道-姿态-结构耦合、接触碰撞等复杂的动力学与控制问题,给精准、高效、稳定完成组装任务带来挑战.本文介绍了大型航天结构的动力学建模方法、超大型航天结构特殊的动力学现象、航天结构空间组装过程的动力学建模研究现状;综述了航天结构在轨运行阶段的控制方法、空间组装过程的组装序列规划方法、姿态控制与振动抑制方法研究进展;总结了航天结构组装过程动力学与控制地面模拟试验中的重力卸载、缩比模型设计与试验、非线性与不确定性试验等关键技术.最后,面向未来千米量级超大型航天结构空间组装需求,针对组装过程中结构尺寸、质量和力学参数跃变等特性提出了当前研究工作中亟须解决的几类动力学与控制问题.

基于变遗忘因子的空间太阳能电站时变频率辨识

考虑空间太阳能电站(SSPS)在轨运行时帆板旋转所导致的系统变构型特征,提出一种变遗忘因子广义子空间跟踪器(VFF-GYAST)递推辨识方法,在轨辨识该时变动力学系统的模态频率参数,以提高GYAST方法对于这类时变系统的跟踪能力。基于模态综合技术和子结构方法,建立多旋转关节构型SSPS(MJ-SSPS)的时变姿态-振动耦合动力学方程;根据投影子空间理论,通过计算系统均方差来确定递推过程中的时变遗忘因子,以提高GYAST方法的跟踪性能并辨识得到系统的时变伪模态频率参数。数值仿真结果表明:所提方法能够有效地识别该大型柔性系统的时变频率参数。与传统的递推子空间方法相比,所提方法具有较高的抗噪声干扰能力,在低量测信噪比时所提方法对于频率辨识结果的相对误差的平均值小于5%,且对时变系统的跟踪性能优于基于固定遗忘因子的原始方法。

大型索网式可展开天线在轨高精度指向控制

以星载大型索网式可展开天线为对象,研究在轨工作过程中天线视轴高精度高稳定度指向控制方法。首先,基于Craig-Bampton法建立表征天线指向的动力学模型;然后针对天线振动对视轴指向的影响,设计PD反馈+陷波滤波器的控制算法;进一步分析影响指向精度的因素,设计带有调节滤波器的改进控制器以减小天线视轴指向的周期性误差,提高指向精度与稳定度。最后,给出数值仿真校验的结果并与现有的方法进行比较。结果表明,所提出的控制算法在保证天线指向稳定的同时,可以有效减小天线视轴的指向偏差,并对干扰与振动具有良好的鲁棒性。

接近非合作目标的航天器相对轨道有限时间控制

针对快速接近非合作目标航天器任务,提出了一种基于观测器的相对轨道有限时间控制算法.首先,基于非奇异的终端滑模技术,设计了一种有限时间控制器.该控制器可使追踪航天器与目标航天器的相对位置和速度在有限时间内达到期望值.其次,考虑到非合作航天器的逃逸机动,在控制器中引入了一种有限时间观测器,该观测器可在有限时间内估计出目标的逃逸加速度,从而保证闭环系统的全局有限时间收敛.最后,通过数值仿真验证了该控制算法的有效性.

低轨对地凝视卫星姿态控制

研究了低轨航天器执行对地观测任务时对地凝视观测的姿态控制。根据刚体动力学导出基于误差四元数和误差角速度的动力学与运动学方程,设计了一变结构控制律。仿真结果表明:在对地凝视的姿态控制过程中,设计的控制方法响应速度快于传统控制方法,对卫星转动惯量摄动及外部干扰的鲁棒性较佳。

空间太阳能电站地球同步拉普拉斯轨道动力学特性

现有关于空间太阳能电站(Space Solar Power Station,SSPS)轨道动力学的研究中,均将其放置于地球静止轨道(Geostationary Orbit,GEO),然而这并非最优的工作轨道。文章提出了一种优于GEO的地球同步拉普拉斯(Geosynchronous Laplace Plane,GLP)轨道。首先,建立了轨道运动模型及影响轨道运动的摄动模型,包括地球非球形引力摄动、日月引力摄动、太阳光压力摄动及微波反冲力摄动;然后,提出了评估空间太阳能电站轨道的3个指标:接收功率、轨道适用性和安全性,并据此分析了GLP轨道相对于GEO的优势。最后,给出了数值仿真算例。结果表明:在发电功率大致相同且满足供电需求的情况下,工作在GLP上的SSPS每年大约能节省用于轨道保持的燃料36 453.4kg。

带有干扰观测器的凝视航天器姿态变结构控制

研究了实现对地凝视观测时的航天器姿态控制问题.首先介绍了对地凝视模式及其成像优点,继而推导出实现对地凝视的期望姿态四元数和期望角速度,在此基础上得到姿态相对动力学和运动学方程;考虑到提高凝视成像精度、延长成像时间的要求,设计了一种变结构控制律,并采用干扰观测器的方法来抑制变结构控制的固有振颤,提高控制效果,并对这种方法和传统控制方法进行了比较.仿真结果表明,在实现对地凝视的姿态控制过程中,设计的控制器响应速度更快,具有更好的鲁棒性,并减弱了变结构控制的振颤问题.

基于对偶四元数的航天器单目视觉导航算法

为了估计两航天器的相对姿态与轨道运动,利用对偶数推导并给出了航天器相对动力学方程,该方程一体化描述了航天器的相对运动,考虑了姿态与轨道之间的耦合影响.在对偶代数框架内,基于目标航天器的特征线在视觉相机平面的投影建立了导航算法的测量模型.最后通过对系统动力学模型以及测量模型的线性化,应用EKF滤波算法对航天器的相对运动状态进行了估计.仿真结果表明,本文的算法能对航天器相对运动进行较高精度的估计,且收敛速度较快.

基于SoC的“微型核”星载电子系统设计

为检验"微型核"航天器设计平台的功能,对星载电子系统进行优化设计.采用主流的SoC设计方法,通过功能模块化映射将ARM7内核,C8051单片机、RFIC射频模块等单元模块集合为一体,借助软件设计平台,形成了具有丰富I/O接口,高处理速度的星载电子系统原理样机.在与哈尔滨工业大学TS-1星载计算机的功能对比中,"微型核"星载电子系统出色的完成了星务管理、数据采集传输,姿态轨道控制等多种任务,控制精度满足任务要求.结果表明基于SoC的星载电子系统有能力替代现有的星载计算机成为未来微型航天器的核心.

三自由度气浮台推力分配算法设计

针对有冗余的喷嘴推力分配问题,首先提出一个目标函数,该目标函数不仅考虑了期望力向量和喷嘴产生合力之间的偏差,且统计了喷气的消耗量;其次根据喷嘴所产生力向量的对称性原则使搜索的范围从256减小到11,在很大程度上减小了每个周期搜索的计算量;最后通过数学仿真验证所提算法的合理和有效性,为其应用到半物理仿真中提供理论基础.

高阶重力和力矩对空间太阳能电站运动的影响

相比于传统卫星,空间太阳能电站具有超大的尺寸,高阶重力和重力梯度对其轨道和姿态运动的影响将不能再忽略.文中以地球同步拉普拉斯轨道上的太阳塔式空间太阳能电站为例,研究了在考虑地球扁率的引力场中,高阶重力和力矩对空间太阳能电站姿轨运动的影响.首先将空间太阳能电站的重力势函数进行泰勒展开,并保留至四阶项;然后求出电站所受到的重力和重力梯度力矩,并给出其轨道和姿态运动方程;最后通过数值仿真来分析不同阶次的力和力矩对轨道运动的影响.结果表明:高阶力对卫星轨道的影响较大,可达到百米量级;高阶力矩对卫星姿态运动影响则较小,可忽略不计.

微尺度下硅锗合金热导率的分子动力学模拟

采用非平衡分子动力学(NEMD)方法研究了微尺度下硅锗合金的热导率变化情况.结果表明,硅锗合金热导率具有明显的尺寸效应,显著小于大体积晶体的实验值;并且受边界散射效应的影响,热导率值随硅锗原子百分比的不同发生变化;同时热导率随温度的升高而增大,与实验值比较大致吻合.

城市色彩环境问题的探讨

该文从色彩的基本作用、影响因素出发,通过对典型实例的分析探讨了城市色彩中存在的一些问题,并提出了城市色彩规划的方法。

仿真与实验结合的飞行器设计专业案例教学探讨

围绕国家"卓越工程师教育培养计划"进行飞行器设计专业"飞行器系统仿真与CAD"课程规划,对培养合格的飞行器设计人才具有重要的意义。将航天部门的项目结合课堂的理论,采用飞行器仿真和实验验证的案例教学方式讲授课程,使学生在解决实际工程项目的同时掌握飞行器设计专业的相关理论知识和技术方法,不仅使学生了解飞行器设计建模的方法、仿真的具体步骤和实验技术手段,而且增强学生理论联系实际的能力培养,提高学习兴趣,使他们更全面地掌握飞行器的相关理论知识和实验方法。

飞行器设计专业自动控制理论教学与实践

"自动控制理论"是飞行器设计专业的一门基础课,在航空航天类专业的控制课程中占有重要地位。结合大连理工大学航空航天学院自动控制理论基础本科课程的长期教学经验,分析了此课程在教学中出现的问题。借鉴国内外的教学方法,并依据专业培养计划的特点进行教育改革,优化教学内容,改革传统教学方法,采取理论联系实际的案例教学,重视实验和实践环节,加强专业软件的学习,不断强化学生工程实践和思维创新意识,经过教学实践反馈证明,采取的教学改革方法收到了良好的效果。

大型航天结构在轨组装阶段作动器布局优化

在轨组装阶段的大型航天结构具备“离散渐增”的特点,组装阶段其构型与参数不断改变.与固定构型航天结构不同,如何合理配置作动器以抑制组装过程中的结构振动目前还未见深入研究.针对这一问题,提出一种适用于大型航天结构在轨组装阶段的作动器分布式优化配置方法.根据结构模块化设计的特点,给出大型航天结构组装阶段作动器分布式优化配置的设计思路.建立面向组装阶段作动器布局优化的桁架结构动力学模型,并给出用于优化配置的目标函数.提出结合天牛须搜索的改进粒子群算法,以解决优化配置问题.最后给出在轨组装阶段作动器布局优化的数值仿真.结果表明通过改进的混合粒子群算法实现了大型航天结构在轨组装阶段的作动器分布式最优配置.

在轨组装空间结构面向主动控制的动力学建模

在轨组装是未来超大型空间结构最有发展潜力的构建方式之一,组装过程中空间结构尺寸逐渐增长、动力学特性也随之改变,给结构主动控制任务带来了新的挑战.针对这一问题,提出一种在轨组装空间结构面向主动控制的动力学建模方法.首先,建立不同类别组装模块的基础模型库,以用于后续直接调用;然后,定义模块的邻接关系矩阵以描述在轨组装过程中空间结构的变化,并根据在轨组装任务特点,设计了面向分布式控制的智能组件结构形式;在有限元建模方法的基础上提出"节点自由度加载"方法,利用模块的基础模型库与邻接关系矩阵,分别建立智能组件和空间结构整体的动力学模型,该模型可随组装的进行同步自适应更新;最后,以在轨组装桁架结构为例,给出组装碰撞冲击下动力学建模与分布式主动控制数值仿真.结果表明,在轨组装过程中桁架结构整体的动力学特性有明显的变化,主动控制非常必要;基于提出的建模方法,可高效地建立构型多样的在轨组装空间结构动力学模型;智能组件的动力学模型在组装过程中可进一步根据邻接关系矩阵限定更新范围,适用于在轨组装过程中的分布式主动控制系统设计.

低轨对地凝视卫星姿态模糊控制器设计

设计了一种用于低轨道小卫星对地凝视姿控的模糊控制器。根据刚体动力学导出的基于欧拉角的运动学和动力学方程,设计了对地凝视小卫星的姿态模糊控制器。仿真结果表明:与传统控制方法相比,该控制器具快速性和鲁棒性。

利用改进TW-API方法在轨辨识挠性航天器时变模态参数

考虑大型挠性部件运动导致的在轨航天器模态参数时变特性,提出一种改进的截断窗逼近幂迭代(TW-API)追踪方法。针对传统TW-API方法计算量较大的问题,改进的方法简化了数据处理中的矩阵递推过程,显著减少了在轨辨识过程的计算量和计算时间。还将该方法与经典投影估计子空间跟踪(PAST)方法和逼近幂迭代(API)递推方法进行了计算量对比与分析。为检验四种方法用于航天器模态参数辨识的效果,选取ETSVIII卫星为对象进行数值仿真。通过实际计算时间的比较,校验了改进TW-API方法在大型挠性航天器时变模态参数在轨辨识方面的有效性。

大型索网天线机电耦合动力学建模与主动变形控制

索网天线因其折叠收纳比高、质量轻以及口径大等优点,成为众多空间任务的首选天线形式,但反射面精度较低限制了大型索网天线的在轨性能指标。在索网天线竖向张力索中加入压电陶瓷堆(PZT)作动器,通过主动控制提高反射面的形面精度。首先,将张紧的索网天线分为含有作动器的主动索单元和不含作动器的被动索单元,通过压电本构方程、几何方程和哈密顿原理推导出主动索单元的动力学模型,并与被动索单元一起组装得到索网天线的机电耦合动力学模型。然后,根据天线反射面的初始形面误差和所建立的天线机电耦合动力学模型,基于模型预测控制(MPC)方法计算出各作动器的控制输入电压曲线。最后,以一个10m口径的索网天线为算例,验证本文所建立的模型和控制方法的有效性。