航天器贮箱大幅液体晃动三维质心面等效模型研究

针对航天器贮箱内的大幅液体晃动建立了三维质心面等效模型,此模型将贮箱内液体等效为位于液体质心处的质点,该质心点可以在质心约束面内任意运动,同时利用质心点动力学方程及接触碰撞模型近似计算液体晃动对贮箱的作用力。质心面等效模型的数值仿真结果与基于VOF方法的流体动力学数值计算结果基本吻合,从而验证了质心面等效模型用于航天器贮箱大幅液体晃动分析的有效性。

考虑液体大幅晃动充液航天器的自适应非奇异快速终端滑模控制

针对考虑液体燃料大幅晃动的充液航天器进行姿态机动控制,研究控制系统中存在系统参数不确定、外部未知干扰以及测量不确定的充液航天器姿态控制系统,设计了一种自适应非奇异快速终端滑模控制器。将大幅晃动的液体燃料等效为运动脉动球模型,建立了液体大幅晃动航天器动力学方程。针对充液航天器姿态稳定问题,设计具有有限时间收敛且能避免奇异点的非奇异快速终端滑模面,使充液航天器可以快速达到姿态稳定;与此同时,设计自适应更新律估计集总扰动的未知上界。Lyapunov稳定性分析表明,在系统参数不确定、外部未知干扰、测量不确定和大幅液体晃动的影响下,所提出的自适应非奇异快速终端滑模控制能够保证系统的快速收敛特性,仿真分析验证了所提出控制器的有效性。

液体大幅晃动类等效力学模型研究

基于液体大幅晃动等效力学模型研究充液航天器动力学与控制问题。首先,发展并完善了模拟液体大幅晃动的运动脉动球模型(MPBM),结合已有的液体大幅晃动运动规律和分析结论对MPBM的法向力的计算方法进行了改进;通过数值仿真结果与已有试验结果的对比证明了以上改进工作的有效性。然后,基于MPBM建立了携带多个充液储箱的航天器动力学模型,针对携带四个储箱的充液航天器进行姿态机动控制研究。研究结果表明,四个充液储箱的三种可能的空间布局对航天器姿态机动过程中的角速度、液体晃动力矩和控制力矩将产生不同的影响;此外,还研究了液体大幅晃动等效力学模型中液体晃动阻尼因素对航天器姿态机动控制的影响。

液体大幅晃动情形的航天器刚液耦合动响应仿真分析

基于任意拉格朗日-欧拉有限元(ALE)方法处理液体大幅晃动问题,并系统地建立了航天器刚-液耦合动力学的数值模型。通过液体受惯性力、刚体受流体作用力与力矩来实现系统的耦合,采用交错算法对液体晃动模块与刚体动力学模块进行迭代求解。将刚-液耦合系统的数值计算结果与物理试验及液体刚化计算结果进行了比较,验证了本文方法的适用性和准确性。成功通过数值仿真观察到耦合系统中贮箱横向振动的非线性软弹簧特性、液体的高阶模态响应,并分析了液体晃动对耦合系统的影响。

俯仰激励下三维液体大幅晃动问题研究

主要研究俯仰激励下三维液体大幅晃动问题,将任意Lagrange-Euler法(arbitrary Lagrange-Euler,ALE)运动学描述引入到Navier-Stokes方程中,推导了俯仰激励下液体大幅晃动数值模拟计算公式,并利用Galerkin加权余量法推导了有限元数值离散方程和分步有限元计算格式,采用ALE分步有限元方法对圆筒形贮腔中的液体大幅晃动进行了数值模拟计算.得到了波高、晃动力及晃动力矩等晃动特性的时间变化历程,并对结果进行了分析,揭示了俯仰激励下三维液体大幅晃动问题的非线性现象.

燃料大幅晃动等几何分析仿真及航天器耦合动力学研究

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.

重力环境下液体大幅晃动运动脉动球模型及实验研究

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.

大幅晃动液体冲击贮箱顶盖SPH-FEM数值模拟研究

该文应用光滑粒子流体动力学(SPH)方法和有限元法(FEM)的耦合算法对矩形贮箱内液体大幅晃动冲击顶盖问题模拟研究。箱内流体域采用SPH粒子离散,贮箱固壁边界采用FEM离散,基于无网格粒子接触算法分析流体与固壁边界之间的耦合作用,将数值模拟结果与模型试验结果进行对比分析。在此基础上,数值计算高充液率贮箱在不同激振频率及幅值情况下晃动液体冲击顶盖现象,获取冲击顶盖的压力时程。结果表明:数值模拟结果与模型试验结果吻合较好,验证了此方法的可行性和有效性。高充液率情况下贮液箱较易发生液体晃动冲击顶盖现象,且当激振频率在接近液体一阶晃动频率时,随激振幅值增大而冲击压力峰值也随之增大,冲击压力过程呈现显著的震荡及随机特性。SPH-FEM耦合算法可进一步应用到其它复杂结构形式的贮液容器内液体晃动冲击问题研究中。

轴对称贮箱内液体大幅晃动的复合等效力学模型

航天工程中普遍使用等效力学模型描述液体晃动动力学,但基于线性理论的传统等效力学模型在大幅晃动中的适用性较差、精度较低.为此本文提出适用于常/低重力环境下液体大幅晃动的复合等效建模方法.以轴对称贮箱为例,提出了大幅晃动下跟随等效重力的液体动平衡位置确定方法,建立了球面摆形式的复合等效力学模型,并推导了等效系统动力学方程.为验证该建模方法有效性和模型准确性,对大幅平动和转动激励下三维圆柱形贮箱和Cassini贮箱内液体的晃动力和力矩、质心位置等进行了计算,并将复合等效力学模型、传统等效力学模型及计算流体动力学软件的计算结果进行了对比分析.结果表明,该复合等效力学模型可对液体大幅晃动的动力学响应进行较为准确的预测.

多充液贮腔航天器耦合动力学与姿态控制

基于已有的质心面液体大幅晃动等效力学模型,采用拉格朗日方法,系统地建立了任意复杂激励下四贮腔航天器刚-液耦合动力学精确模型。由本文方法所得到的等效晃动力及晃动力矩与通过Flow3D计算出的相应结果吻合良好,验证了所建模型的可靠性。根据所建立的大幅晃动类充液航天器耦合系统动力学模型进一步研究了该类航天器在进行三轴稳定姿态机动时的主要动力学耦合特性,并设计了一类抑制姿态振荡的补偿控制器。

充液柔性航天器刚-液-柔耦合动力学研究的凯恩方法

借助凯恩方法对携带太阳能帆板的充液航天器耦合系统进行动力学建模,采用六自由度描述航天器的轨道及姿态运动,由运动脉动球模型模拟贮箱内液体燃料的晃动,根据几何非线性变形的假设引入太阳能柔性帆板的动力刚化效应并建立了航天器刚-液-柔耦合系统动力学模型。最后,为了验证理论的正确性和模型的合理性进行了数值仿真,结果表明微重力环境下液体晃动对航天器姿态机动将产生明显的干扰;随着重力效应的增加液体晃动对航天器姿态机动的干扰愈发明显,而刚液柔耦合效应对航天器的姿态机动具有不可忽视的影响。研究成果对复杂航天器动力学分析与总体设计有重要参考意义。

事件触发机制下的充液航天器姿态控制

针对液体大幅晃动、通信资源受限的充液航天器姿态控制系统,提出一种自适应滑模控制与事件触发机制相结合的控制策略。首先,针对固-液耦合的充液航天器姿态控制系统,选用滑模变结构控制来削弱液体大幅晃动的非线性影响,并设计自适应更新律在线估计不确定参数来提高系统的鲁棒性。然后,考虑星载计算机资源的限制,设计相对阈值的事件触发机制来决定控制输入信号的更新,从而减少控制器与执行器之间的信号更新对通信网络的占用。最后,仿真结果表明,在液体大幅晃动下,所提控制策略不但可以使航天器姿态控制系统最终收敛到任意小的界内,而且可以减少96%的控制信号传输,减轻航天器的通信负载。