大型柔性航天器动力学与振动控制研究进展

随着航天重大工程的逐步实施,航天器正朝着超高速、超大尺度、多功能的方向发展,其面临的发射和运行环境也更加恶劣.航天器发射过程中的振动及其主/被动控制、在轨运行中大型柔性航天器动力学建模与动态响应分析、结构振动与飞行器姿态的混合控制等问题越来越复杂且难于处理;航天器结构的大型化和柔性化(如大阵面天线和太阳翼等)也对其地面试验和半实物仿真提出了挑战.本文着重介绍大型柔性航天器涉及到的动力学与振动控制问题,包括航天器发射过程中的整星隔振,大型柔性结构动力学建模与振动响应分析,大型柔性航天器的结构振动与姿轨控耦合动力学及其混合控制等.提炼出航天动力学与控制领域中亟待解决的若干基础科学问题,包括:多刚柔体系统动力学建模与模型降阶(涉及大变形柔性体动力学建模、多求解器合作仿真、模型降阶、组合结构动力学建模的解析方法等);复杂结构状态空间模型构建方法与能控性(涉及状态空间模型构建的理论与实验方法、复杂结构振动控制系统的能观性与能控性等);航天器姿态运动与大型柔性结构振动的混合控制律设计(涉及姿态机动与结构振动的鲁棒混合控制、执行机构与压电控制器的协同控制等).

带有两个动量飞轮刚体航天器的姿态非完整运动规划问题

航天器利用三个动量飞轮可以控制其姿态和任意定位.当其中一个动量飞轮失效,在某些特定的情况下,如何控制航天器的姿态问题还没有有效的方法.利用最优控制方法研究了带有两个动量飞轮的刚体航天器姿态优化控制问题.为此考虑系统角动量为零的情况下,将航天器姿态运动方程化为非完整形式约束方程,系统的控制问题可转化为无漂移系统的非完整运动规划问题.通过Ritz近似理论得到求解带有两个动量飞轮航天器姿态的运动规划控制算法.通过数值仿真,表明该方法对航天器姿态运动规划控制是有效的.

欠驱动刚体航天器姿态运动规划的遗传算法

研究欠驱动刚体航天器姿态的非完整运动规划问题,航天器利用3个动量飞轮可以控制其姿态和任意定位,当其中一轮失效,航天器姿态通常表现为不可控,在系统角动量为零的情况下,系统的姿态控制问题可转化为无漂移系统的运动规划问题,基于优化控制理论,提出了求解欠驱动刚体航天器的姿态运动控制遗传算法,并且数值仿真表明:该方法对欠驱动航天器姿态运动的控制是有效的。

一类复杂力场中磁性刚体航天器的混沌姿态运动

研究在地球万有引力场和磁场中具有结构内阻尼的磁性刚体航天器在近赤道圆轨道上平面天平动的混沌行为，应用Ｍｅｌｎｉｋｏｖ方法建立了系统存在横截异宿环的条件，分别采用功率谱和Ｌｙａｐｕｎｏｖ指数等数值方法对系统动力学行为进行识别．数值结果表明，在不同参数条件下系统出现周期运动和混沌运动．

一个关于流动能量耗散率的minimax变分原理

流动耗散率是湍流理论的核心概念之一.Doering-Constantin变分原理刻画了流动耗散率的上确界(最大值).在该文的研究中,首先基于优化理论的视角,Doering-Constantin的变分原理被改写为一个不可压缩剪切流耗散率的minimax型的变分原理.其次,博弈论中的Kakutanim inimax定理给出该变分原理中minimizing和maximizing计算过程可交换的一个充分条件.这个结果不仅从一个新的角度揭示了谱约束的内涵,也为Doering-Constantin变分原理和Howard-Busse统计理论的等价性从博弈论的角度提供了理论基础.

薄膜沿加热平板下落的稳定性分布

本文分析了薄膜沿加热平板下落的稳定性。在时间模式下,发现流动的不稳定性是由表面波不稳定和热毛细不稳定构成的,同时当流体的热扩散越大以及界面热量损失越小时,热毛细不稳定越剧烈。在时空模式下,流动随着Marangoni数的增大,流动有可能从对流不稳定过渡到绝对不稳定,这一结论尚待实验验证。

S＿2流面有旋流动的赝势函数变分原理族

本文建立了以赝势函数表示的叶轮机内Ｓ＿２流面有旋流动的正问题和半反问题的变分原理及广义变分原理，从而为Ｓ＿２流面有旋流动（特别是含激波的跨声速流动）提供一个简单的数学变分形式，作为变分有限元解法和各种变分直接解法的理论基础。