[發(fā)明專利]大型復(fù)雜耦合航天器動力學(xué)模型建模方法

有效

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• 申請日: 2020-10-09
• 公開（公告）號: CN112364571B
• 公開（公告）日: 2023-01-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 宗群;張睿隆;竇立謙;張秀云;劉文靜
• 申請（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號: G06F30/28
• 分類號: G06F30/28
• 代理公司: 天津市北洋有限責(zé)任專利代理事務(wù)所 12201
• 代理人: 劉國威

本發(fā)明涉及自動控制技術(shù)、力學(xué)建模領(lǐng)域，為提出一種大型復(fù)雜耦合航天器動力學(xué)模型建模方法，使建立的數(shù)學(xué)模型更加貼合實際衛(wèi)星模型。本發(fā)明，大型復(fù)雜耦合航天器動力學(xué)模型建模方法，步驟如下：S1、建立航天器太陽帆板簡化模型；S2、建立液體晃動動力學(xué)模型；S3、建立剛液航天器耦合模型；S4、建立的液體晃動模型進(jìn)行補(bǔ)充，以獲得更貼近設(shè)計晃動規(guī)律的液體晃動數(shù)學(xué)模型；S5、需要同時考慮S1中柔性附件振動和S2、S3中液體晃動對剛體的耦合影響，建立大型柔性充液航天器動力學(xué)模型；S6、最后根據(jù)剛?cè)岷教炱鳌傄汉教炱髂Ｐ头治觯⒋笮腿嵝猿湟汉教炱髂Ｐ汀１景l(fā)明主要應(yīng)用于航天器動力學(xué)模型建模。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及自動控制技術(shù)、力學(xué)建模領(lǐng)域。具體涉及一種大型復(fù)雜耦合航天器動力學(xué)模型建模方法。

背景技術(shù)

隨著空間技術(shù)的不斷發(fā)展與航天需求的不斷增長，航天器主要沿著兩個大的方向發(fā)展：一是微小化、集群化，多個微小衛(wèi)星協(xié)同執(zhí)行某一任務(wù)；二是尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，讓衛(wèi)星在太空中長時間執(zhí)行任務(wù)。針對于大型衛(wèi)星，結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，尺寸也越來越大，但由于發(fā)射成本及運載能力限制的原因，在減輕航天器重量的同時，結(jié)構(gòu)的撓性也越來越大。在航天器完成諸如機(jī)動、轉(zhuǎn)向和空中對接等動作時，很容易激起柔性結(jié)構(gòu)的振動，這種振動會增加星體姿態(tài)調(diào)整時間、影響指向精度及航天器精密儀器的正常工作。另外，隨著航天器運載能力、機(jī)動能力及長壽命等性能的提高，液體燃料質(zhì)量占航天器總質(zhì)量的比值不斷增大，這種不利影響也隨之增大，液體晃動問題在充液航天器的姿態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計中無法避免，燃料質(zhì)量的增加容易導(dǎo)致航天器儲液箱液體發(fā)生強(qiáng)烈晃動，嚴(yán)重影響星體姿態(tài)控制的精度與穩(wěn)定性。因此，對于大型復(fù)雜耦合航天器動力學(xué)模型的建模主要考慮剛體、柔性附件以及貯液箱中液體晃動的力與力矩的作用。

模型作為控制的基礎(chǔ)，對其進(jìn)行描述與分析有利于航天器控制器的設(shè)計。建立大型復(fù)雜耦合航天器動力學(xué)模型主要分為三個部分：1、分析柔性附件的振動；2、分析液體晃動對剛體運動的影響；3、根據(jù)動量矩守恒原理建立大型柔性充液航天器動力學(xué)模型。

發(fā)明內(nèi)容

為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明旨在提出一種大型復(fù)雜耦合航天器動力學(xué)模型建模方法，使建立的數(shù)學(xué)模型更加貼合實際衛(wèi)星模型，并為航天器控制器的設(shè)計提供基礎(chǔ)。為此，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，大型復(fù)雜耦合航天器動力學(xué)模型建模方法，步驟如下：

S1、先根據(jù)太陽能帆板的結(jié)構(gòu)尺寸，忽略對航天器太陽能帆板的動力學(xué)影響微弱的小的桿件結(jié)構(gòu)，建立航天器太陽帆板簡化模型；

S2、應(yīng)用動量矩守恒定理建立航天器系統(tǒng)的姿態(tài)動力學(xué)方程，利用彈簧質(zhì)量等效模型的前兩階模態(tài)對液體晃動部分進(jìn)行等效，建立液體晃動動力學(xué)模型；

S3、采用CFD與等效力學(xué)結(jié)合的方法，建立剛液航天器耦合模型，具體是采用CFD軟件的流體體積函數(shù)方法進(jìn)行三維液體晃動仿真計算，得到橢球體貯箱內(nèi)流動參數(shù)的變化規(guī)律，并進(jìn)行深入分析，從而完善S2采用等效力學(xué)模型所得的液體晃動數(shù)學(xué)模型；

S4、綜合考慮S2、S3兩種液體建模方法，依據(jù)CFD分析軟件獲得的液體晃動內(nèi)部參數(shù)結(jié)果對等效力學(xué)方法建立的液體晃動模型進(jìn)行補(bǔ)充，以獲得更貼近設(shè)計晃動規(guī)律的液體晃動數(shù)學(xué)模型；

S5、需要同時考慮S1中柔性附件振動和S2、S3中液體晃動對剛體的耦合影響，建立大型柔性充液航天器動力學(xué)模型；

S6、最后根據(jù)剛?cè)岷教炱鳌傄汉教炱髂Ｐ头治觯⒋笮腿嵝猿湟汉教炱髂Ｐ汀?/p>

步驟S1詳細(xì)步驟如下：