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刚-液耦合航天器系统的Hamilton结构及稳定性分析 被引量:1
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作者 易中贵 岳宝增 +2 位作者 刘峰 卢涛 邓明乐 《应用数学和力学》 CSCD 北大核心 2023年第5期499-512,共14页
该文采用3D刚体摆来等效推进剂的非线性晃动行为.由此研究了该刚-液耦合航天器系统的Hamilton结构,介绍了系统的R^(3)约化(对应系统的平移不变性或总线动量不变性)以及S_(o)(3)约化(对应系统的旋转不变性或总角动量不变性),并推导了系... 该文采用3D刚体摆来等效推进剂的非线性晃动行为.由此研究了该刚-液耦合航天器系统的Hamilton结构,介绍了系统的R^(3)约化(对应系统的平移不变性或总线动量不变性)以及S_(o)(3)约化(对应系统的旋转不变性或总角动量不变性),并推导了系统在约化空间s^(∗)_(o)(3)×s^(∗)_(o)(3)×S_(o)(3)上的约化Poisson括号.接着研究了刚-液耦合航天器系统的自旋稳定性特征,先根据对称临界原理推导了刚-液耦合航天器系统的相对平衡态,由此根据能量-动量方法与分块对角化技术,推导了系统的自旋稳定性条件和Arnold形式的稳定性边界.最后根据具体模型参数,给出了以图形方式展现的自旋稳定域. 展开更多
关键词 液体非线性晃动 等效力学模型 HAMILTON结构 稳定性分析 能量-动量方法
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燃料大幅晃动等几何分析仿真及航天器耦合动力学研究
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作者 于嘉瑞 岳宝增 李晓玉 《力学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第2期476-486,共11页
现代航天器肩负许多周期长且复杂的航天任务,通常需要携带大量的液体燃料.贮箱中液体燃料大幅晃动会严重影响航天器的姿态稳定性和控制精度,是现代航天器耦合动力学建模和精确控制研究的重要问题.本文提出了一种新的液体大幅晃动数值仿... 现代航天器肩负许多周期长且复杂的航天任务,通常需要携带大量的液体燃料.贮箱中液体燃料大幅晃动会严重影响航天器的姿态稳定性和控制精度,是现代航天器耦合动力学建模和精确控制研究的重要问题.本文提出了一种新的液体大幅晃动数值仿真方法,采用等几何分析方法对贮箱内气体和液体整体进行建模和空间离散,采用压力修正的分步法对控制方程进行时间离散,结合水平集方法划分气体和液体区域并且实时追踪液体晃动自由面.提出了一种质量修正方法以消除水平集函数演化产生的液体质量误差.基于燃料大幅晃动等几何分析仿真方法,对携带太阳能帆板的充液航天器进行动力学建模和耦合运动数值仿真.对于太阳能帆板的振动问题则采用Kirchhoff-Love板理论建模和模态分析法数值求解.通过将数值仿真结果与解析解对比,证明了本文给出方法的正确性.本文还对燃料大幅晃动下的航天器刚−液−柔耦合运动进行了数值仿真,发现液体晃动对航天器的姿态变化和结构振动的幅值和频率具有不可忽视的影响. 展开更多
关键词 刚−液−柔耦合航天器 液体大幅晃动 等几何分析 水平集方法 柔性附件
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多储液腔航天器刚液耦合动力学与复合控制 被引量:12
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作者 岳宝增 于嘉瑞 吴文军 《力学学报》 EI CSCD 北大核心 2017年第2期390-396,共7页
采用复合控制方法对充液航天器的姿态和轨道机动进行高精度控制.通过傅里叶-贝塞尔级数展开法,将低重力环境下液体的弯曲自由表面的动态边界条件转化为简单的微分方程,其中耦合液体晃动方程的状态向量由相对势函数的模态坐标和波高的模... 采用复合控制方法对充液航天器的姿态和轨道机动进行高精度控制.通过傅里叶-贝塞尔级数展开法,将低重力环境下液体的弯曲自由表面的动态边界条件转化为简单的微分方程,其中耦合液体晃动方程的状态向量由相对势函数的模态坐标和波高的模态坐标组成.通过广义准坐标下的拉格朗日方程得到航天器刚体部分运动和液体燃料晃动的耦合动力学方程,提出了自适应快速终端滑模策略和输入整形技术相结合的复合控制器,并分别用于控制携带有一个燃料腔和四个燃料腔航天器的轨道机动和姿态机动.通过数值模拟来验证控制器的效率和精度.结果表明,对于多储液腔航天器,如果在设计航天器的姿态和轨道控制器时没有充分考虑燃料晃动效应,那么在受控航天器系统中将会出现刚-液-控耦合问题并导致航天器姿态不稳定.而本研究中的复合自适应终端滑模控制器可以实现航天器机动的高精度控制并有效抑制液体燃料晃动. 展开更多
关键词 液体晃动 多储液腔航天器 低重力环境 刚液控耦合动力学 终端自适应滑模控制器
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航天器平移及姿态机动自适应终端滑模控制 被引量:3
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作者 岳宝增 李晓玉 《动力学与控制学报》 2018年第4期332-337,共6页
研究了用于航天器平移及姿态机动的自适应终端滑模控制方法.通过在广义准坐标下建立拉格朗日方程得到了刚体航天器平移及姿态耦合运动的动力学方程.能对存在模型不确定性和环境扰动下的航天器实现平移和姿态机动.该自适应过程包括对不... 研究了用于航天器平移及姿态机动的自适应终端滑模控制方法.通过在广义准坐标下建立拉格朗日方程得到了刚体航天器平移及姿态耦合运动的动力学方程.能对存在模型不确定性和环境扰动下的航天器实现平移和姿态机动.该自适应过程包括对不确定性和干扰的估计、有效抑制传统滑模控制的抖振现象.利用李雅普诺夫稳定性理论证明了控制器的可达性和稳定性.通过航天器的位置以及姿态跟踪的数值仿真,验证了所设计控制器的有效性和准确性. 展开更多
关键词 滑模控制器 航天器平移机动 航天器姿态机动 自适应控制 不确定性及扰动
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燃料消耗下充液航天器等效动力学建模与分析 被引量:11
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作者 刘峰 岳宝增 +1 位作者 马伯乐 申云峰 《力学学报》 EI CSCD 北大核心 2020年第5期1454-1464,I0006,共12页
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... 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. 展开更多
关键词 液体非线性晃动 刚体摆复合模型 燃料消耗 变质量充液航天器 耦合动力学
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重力环境下液体大幅晃动运动脉动球模型及实验研究 被引量:4
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作者 卢煜 岳宝增 +3 位作者 马伯乐 郝柏隆 常园园 张薇 《力学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第9期2543-2551,共9页
现代航天器通常携带大量的液体推进剂,在航天器的姿态发生变化的过程中,由于惯性力和重力的作用,可能会导致液体燃料发生剧烈晃动,由此产生附加的晃动力会对航天器造成重要影响.为了得到液体晃动的规律并满足星载计算机实时计算的要求,... 现代航天器通常携带大量的液体推进剂,在航天器的姿态发生变化的过程中,由于惯性力和重力的作用,可能会导致液体燃料发生剧烈晃动,由此产生附加的晃动力会对航天器造成重要影响.为了得到液体晃动的规律并满足星载计算机实时计算的要求,本文研究并验证了一种用于等效液体大幅晃动的动力学模型.首先将液体大幅晃动运动脉动球模型MPBM推广到重力环境中,通过脉动球的牛顿-欧拉动力学方程和“呼吸运动”过程中能量关系式,推导出晃动力法向分量的表达式.同时,引入不参与晃动的液体的等效模型,使得液体质心位置的计算更加准确.通过和文献中实验数据以及CFD软件的计算结果进行比较,分别验证了推广的MPBM模型在大幅晃动、零动量机动工况下的有效性,并基于该等效模型,研究了脉冲激励的不同时序对航天器中液体晃动响应的影响.最后,设计并搭建了用于精确测量液体晃动力的实验平台,验证了MPBM模型在等效非球形储箱的液体晃动时也同样可以很好地反应出晃动力的变化趋势.本文的研究工作对进一步研究重力环境中充液航天器刚–液耦合动力学行为具有重要的参考价值. 展开更多
关键词 运动脉动球模型 液体大幅晃动 液体晃动实验 充液航天器
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Nonlinear phenomena of three-dimensional liquid sloshing in microgravity environment 被引量:16
7
作者 yue baozeng WANG Zhaolin 《Chinese Science Bulletin》 SCIE EI CAS 2006年第20期2425-2431,共7页
The dynamic problem of three-dimen- sional liquid sloshing is numerically studied in this paper. The arbitrary Lagrange-Euler (ALE) kinematic description is introduced into the control equations system. The discrete n... The dynamic problem of three-dimen- sional liquid sloshing is numerically studied in this paper. The arbitrary Lagrange-Euler (ALE) kinematic description is introduced into the control equations system. The discrete numerical equations of finite element method are developed by Galerkin weighted residual method. The boundary condition about free-surface tension is represented in the form of weak integration that can be computed by our dif- ferential geometry method derived. The normal vec- tor on free surface is calculated by using accurate formula presented in this paper. The numerical computations are performed and the comparison not only between numerical results and analytical results but also between numerical results and experimental results validated the effectiveness of the method. Finally, large amplitude sloshing of three-dimensional liquid in low-gravity environment is simulated and some important nonlinear characteristics are ob- tained. From the numerical results, it is concluded that the character of nonlinear sloshing of the liquid under low-gravity environment is much different from that of the liquid sloshing under normal gravity envi- ronment. 展开更多
关键词 表面张力 微重力环境 数值模拟 航天器 运动学 非线性现象
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Large-scale amplitude liquid sloshing in container under pitching excitation 被引量:3
8
作者 yue baozeng 《Chinese Science Bulletin》 SCIE EI CAS 2008年第24期3816-3823,共8页
Large-scale amplitude liquid sloshing in container under pitching excitation is numerically studied in this paper.Firstly,the kinematics of the ALE description is introduced and the fluid dynamics equations are revise... Large-scale amplitude liquid sloshing in container under pitching excitation is numerically studied in this paper.Firstly,the kinematics of the ALE description is introduced and the fluid dynamics equations are revised in the ALE form.Secondly,the boundary condition about free-surface tension is represented in the form of weak integration that can be computed by the differential geometry method derived in the present paper and the normal vector on free surface is calculated using accurate formulas presented in this paper.Then the numerical discretized equations of fractional step finite element method are developed by Galerkin weighted residual method.Furthermore,the numerical simulation of large-scale amplitude sloshing of the liquid both in rectangular container and cylindrical container is carried out.The computed time evolution of the wave height,and free surface profiles at different time are obtained.Comparisons among the present numerical results with other published numerical results and experimental data confirm the effectiveness and validity of the method developed in this paper. 展开更多
关键词 纵摇激发 数字模拟 液体晃动 自由面张力
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Heteroclinic bifurcations in attitude maneuver of coupled slosh-spacecraft with flexible appendage 被引量:2
9
作者 yue baozeng SONG XiaoJuan 《Science China(Technological Sciences)》 SCIE EI CAS 2011年第8期2090-2099,共10页
In this paper, the chaotic dynamics in an attitude transition maneuver of a slosh-spacecraft coupled with flexible appendage in going from minor axis to major axis spin under the influence of dissipative effects due t... In this paper, the chaotic dynamics in an attitude transition maneuver of a slosh-spacecraft coupled with flexible appendage in going from minor axis to major axis spin under the influence of dissipative effects due to fuel slosh and a small flexible appendage constrained to only torsional vibration is investigated. The slosh-spacecraft coupled with flexible appendage in attitude maneuver carrying a sloshing liquid is considered as multi-body system with the sloshing motion modeled as a spherical pendulum. The focus in this paper is that the dynamics of the liquid and flexible appendage vibration are coupled. The equations of motion are derived and transformed into a form suitable for the application of Melnikov’s method. Melnikov’s integral is used to predict the transversal intersections of the stable and unstable manifolds for the perturbed system. An analytical criterion for chaotic motion is derived in terms of system parameters. This criterion is evaluated for its significance to the design of spacecraft. The dependence of the onset of chaos on quantities such as body shape and magnitude of damping values, fuel fraction and torsional vibration frequency of flexible appendage are investigated. In addition, we show that a spacecraft carrying a sloshing liquid, after passive reorientation maneuver, will end up with periodic limit motion other than a final major axis spin because of the intrinsic non-linearity of fuel slosh. Furthermore, an extensive numerical simulation is carried out to validate the Melnikov’s analytical result. 展开更多
关键词 CHAOTIC attitude maneuver liquid-filled spacecraft flexible appendage liquid slosh
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Chaotification in the stretch-twist-fold (STF) flow
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作者 yue baozeng AQEEL Muhammad 《Chinese Science Bulletin》 SCIE EI CAS 2013年第14期1655-1662,共8页
Chaotic behavior and detailed parameter analysis of stretch-twist-fold (STF) flow are investigated. STF flow is associated with fluid particle motion which naturally arises in the dynamo theory. It proposes a mechanis... Chaotic behavior and detailed parameter analysis of stretch-twist-fold (STF) flow are investigated. STF flow is associated with fluid particle motion which naturally arises in the dynamo theory. It proposes a mechanism, by which a celestial bodies, such as earth and sun, can maintain and amplify the magnetic field continuously. Parameter analysis is performed using linearization theory for different choices of parameters. The existence of Heteroclinic trajectory of Sil'nikov type is proved using an undetermined coefficient method. It connects two non trivial equilibrium points. As a consequence, the Sil'nikov criterion guarantees that STF flow has Smale horseshoes chaos. 展开更多
关键词 混沌行为 扭折 待定系数法 发电机理 SIL 线性化 平衡点
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