带有姿态的绳系航天器混沌运动实验研究

利用地面物理仿真平台研究了绳系航天器的混沌动力学行为. 首先, 根据天地动力学相似原理, 通过对卫星仿真器施加喷气力和动量轮力矩来模拟空间动力学环境, 提出了两种等效方案, 给出了它们各自适用的实验工况. 数值结果表明, 在轨绳系航天器在一定的参数条件下系绳摆动为周期或概周期运动、航天器姿态发生混沌运动. 物理仿真验证了等效方案的有效性, 揭示了绳系航天器的混沌运动特征, 表明在阻尼力矩的作用下可以避免绳系航天器混沌运动的发生.      

近地球赤道面椭圆轨道上磁性刚体航天器的混沌姿态运动及其控制

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椭圆轨道上平面天平动的混沌行为及其控制。应用Melnikov方法建立了系统存在横截异宿点的条件。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。应用逆系统控制和局部逆系统控制将混沌姿态运动控制为给定的平衡点。     

柔性全充液航天器大角度姿态机动混沌动力学

研究了受液体燃料黏性阻尼及柔性附件扭振影响的全充液航天器由最小惯量轴向最大惯量作大角度姿态机动过程中的混沌姿态动力学, 尤其是液体燃料和柔性附件振动的耦合效应对航天器姿态动力学的影响. 推导了耦合系统的动力学方程并利用尺度化方法将其转化为扰动系统的标准形式以便应用Melnikov方法对系统进行混沌姿态预测.推导了以系统参数形式表达的混沌姿态预测的解析准则. 将利用数值方法所得到的对系统的数值仿真结果与Melnikov解析准则进行了比较和评述. 研究了诸如航天器构型、液体燃料惯量及阻尼、柔性附件固有频率等系统特征量对混沌姿态的影响.      

航天器姿态动力学中的稳定性、分岔和混沌

讨论航天器姿态动力学中的若干非线性问题．总结了多刚体、柔性体和充液体航天器姿态 稳定性的研究成果．综述了航天器姿态运动的分岔和混沌的研究进展．展望了该领域的发展趋势．     

控制混沌振动的逆系统方法

本文研究了控制混沌振动的逆系统控制。建立了单自由度混沌振动的逆系统控制。以一个呈现混沌姿态运动的航天器动力学模型为例说明了该控制律的应用。最后将该控制律多自由度非线性动系统。     

非自旋航天器混沌姿态运动及其参数开闭环控制

研究万有引力场中受大气阻力且存在结构内阻尼的非自旋航天器在椭圆轨道上平面天平动的混沌及其参数开闭环控制问题．在建立数学模型的基础上确定出现混沌的必要条件并数值验证混沌的存在性，提出非线性振动系统混沌运动的参数开闭环控制并应用于控制航天器的混沌姿态运动．     

亚音速气流作用下薄板结构混沌运动的时滞反馈控制

研究了亚音速气流下非线性二维薄板结构在横向周期载荷作用下的混沌运动及控制问题。基于von Karman大变形板理论和分离变量法,建立了亚音速下薄板结构的运动控制方程。对于未控系统,采用Melnikov方法判断其混沌运动阈值,并用Runge-Kutta法进行数值验证。对处于混沌运动状态的系统,采用时滞反馈控制方法对混沌运动进行控制。结果表明,Melnikov方法可以有效地预测系统的混沌运动行为,时滞反馈控制方法可以有效地将系统的混沌运动转化为周期运动。     

含间隙铰接的柔性航天器刚柔耦合动力学与控制研究

大型柔性航天器展开锁定后,运动副中仍存在大量无法消除的间隙. 铰链间隙直接影响柔性航天器的姿态 运动和有效载荷的指向精度及稳定度,会对航天器的动力学特性造成较大的影响. 针对这一问题, 提出一种含间隙铰 接的航天器刚柔耦合动力学建模与控制方法. 首先建立含间隙的铰链精确动力学模型,从而构建含间隙铰接的柔性结构 动力学模型. 然后利用哈密顿原理和模态离散方法,建立含间隙铰接柔性航天器离散形式的刚柔耦合非线性动力学 模型,采用 Newmark 算法对非线性动力学方程进行求解. 基于压电纤维复合材料 (macro fiber composite, MFC) 驱动器 构建航天器的刚-柔-电耦合动力学方程,采用最优控制设计控制律. 分析了铰链参数、中心刚体转动惯量、间隙尺寸和间隙数目对航天器动力学特性的影响,着重研究了铰链间隙对航天器姿态运动和结构振动的影响作用. 最后采用 MFC 驱动器对航天器施加主动控制. 结果表明,铰链参数和中心刚体转动惯量影响航天器的固有频率;随着铰链间隙尺寸的增大及间隙数目的增多,航天器的整体刚度逐渐减小,而航天器的姿态角和振动位移响应不断增大;通过基于 MFC 的主动控制,能够实现含间隙铰接航天器姿态运动与结构振动的协同控制,并缓解间隙对系统动态特性造成的影响.      

DYNAMICS AND CONTROL OF RIGID-FLEXIBLE COUPLING FLEXIBLE SPACECRAFT WITH JOINT CLEARANCE1)

大型柔性航天器展开锁定后,运动副中仍存在大量无法消除的间隙. 铰链间隙直接影响柔性航天器的姿态 运动和有效载荷的指向精度及稳定度,会对航天器的动力学特性造成较大的影响. 针对这一问题, 提出一种含间隙铰 接的航天器刚柔耦合动力学建模与控制方法. 首先建立含间隙的铰链精确动力学模型,从而构建含间隙铰接的柔性结构 动力学模型. 然后利用哈密顿原理和模态离散方法,建立含间隙铰接柔性航天器离散形式的刚柔耦合非线性动力学 模型,采用 Newmark 算法对非线性动力学方程进行求解. 基于压电纤维复合材料 (macro fiber composite, MFC) 驱动器 构建航天器的刚-柔-电耦合动力学方程,采用最优控制设计控制律. 分析了铰链参数、中心刚体转动惯量、间隙尺寸和间隙数目对航天器动力学特性的影响,着重研究了铰链间隙对航天器姿态运动和结构振动的影响作用. 最后采用 MFC 驱动器对航天器施加主动控制. 结果表明,铰链参数和中心刚体转动惯量影响航天器的固有频率;随着铰链间隙尺寸的增大及间隙数目的增多,航天器的整体刚度逐渐减小,而航天器的姿态角和振动位移响应不断增大;通过基于 MFC 的主动控制,能够实现含间隙铰接航天器姿态运动与结构振动的协同控制,并缓解间隙对系统动态特性造成的影响.     

含对称间隙的摩擦振子非线性动力学分析

建立了两自由度含对称间隙的干摩擦碰撞振动系统的动力学模型,分析了系统运动中存在的滑动、黏着及碰撞,分别给出其判断方法和衔接准则,推导出各阶段系统的解析解,并采用数值迭代方法求解和分析了系统的复杂动力学行为,同时分析干摩擦对系统动力学性能的影响.结果表明,系统存在叉式分叉,系统由对称周期运动变为反对称周期运动,进而通过Hopf分叉或周期倍化分叉通向混沌.在参数变化范围较大的情况下,系统存在类型丰富的周期运动、拟周期运动以及混沌;系统存在对称运动、反对称运动对、黏滑碰撞运动以及由初始条件决定的共存吸引子.     

Chaotic attitude motion of a magnetic rigid spacecraft in an elliptic orbit and its control

This paper deals with the chaotic attitude motion of a magnetic rigid spacecraft with internal damping in an elliptic orbit. The dynamical model of the spacecraft is established. The Melnikov analysis is carried out to prove the existence of a complicated nonwandering Cantor set. The dynamical behaviors are numerically investigated by means of time history, Poincaré map, Lyapunov exponents and power spectrum. Numerical simulations demonstrate the chaotic motion of the system. The input-output feedback linearization method and its modified version are applied, respectively, to control the chaotic attitude motions to the given fixed point or periodic motion. The project supported by the National Natural Science Foundation of Chine (10082003)     

Chaotic attitude motion of a magnetic rigid spacecraft and its control

This paper deals with chaotic attitude motion of a magnetic rigid spacecraft with internal damping in a circular orbit near the equatorial plane of the earth. The dynamical model of the problem is established. The Melnikov analysis is carried out to prove the existence of a complicated non-wandering Cantor set. The dynamical behaviors are numerically investigated by means of time history. Poincare map, power spectrum and Lyapunov exponents. Numerical simulations indicate that the onset of chaos is characterized by the intermittency as the increase of the torque of the magnetic forces and decrease of the damping. The input-output feedback linearization method is applied to control chaotic attitude motions to the given fixed point and periodic motion.     

Chaotic attitude motion of a magnetic rigid spacecraft

IntroductionAttitudedynamicsofspacecraftisascientificresearchsubjectwithgreatsignificance[1,2 ].Aschaosiswidelyanddeeplyinvestigated ,muchattentionhasbeenpaidonchaoticattitudemotionofspacecraft.Itnotonlyprovidesadefiniteengineeringbackgroundforexploringchaos,butalsooffersanewviewpointfordesigningspacecraft.Ithasbeenshownthatthereexistschaoticattitudemotioninsomemodelsofspacecraft,suchasspinningsatellitesinacircularorbit,gyrostatsatellitesinthegravitationalfield ,andtetheredsatellites[3 ,4].Ho…     

基于Rodrigues参数的陀螺体受控运动

经典刚体动力学中表示刚体姿态的参数中，Euler角、Cardan角和Euler参数在工程技术中使用最为普遍．近期在航天器姿态控制问题中使用Rodrigues参数的报道也引起注意，Rodrigues参数以其表达形式简明和代数运算特点而具有独特优点．航天器姿态控制系统必须具有自适应性以适应参数的变化，建立用Rodrigues参数表达的无力矩陀螺体受控运动方程，提出基于Rodrigues参数的自适应姿态控制方案，并应用Lyapunov定理证明受控运动的渐近稳定性。     

Control of Chaotic Motion in a Spinning Spacecraft with a Circumferential Nutational Damper

Control of chaotic vibrations in a simplified model of a spinning spacecraft with a circumferential nutational damper is achieved using two techniques. The control methods are implemented on a realistic spacecraft parameter configuration which has been found to exhibit chaotic instability when a sinusoidally varying torque is applied to the spacecraft for a range of forcing amplitude and frequency. Such a torque, in practice, may arise in the platform of a dual-spin spacecraft under malfunction of the control system or from an unbalanced rotor or from vibrations in appendages. Chaotic instabilities arising from these torques could introduce uncertainties and irregularities into a spacecraft's attitude and consequently could have disastrous affects on its operation. The two control methods, recursive proportional feedback (RPF) and continuous delayed feedback, are recently developed techniques for control of chaotic motion in dynamical systems. Each technique is outlined and the effectiveness of the two strategies in controlling chaotic motion exhibited by the present system is compared and contrasted. Numerical simulations are performed and the results are studied by means of time history, phase space, Poincaré map, Lyapunov characteristic exponents and bifurcation diagrams.     

Analytical solutions for dynamics of dual-spin spacecraft and gyrostat-satellites under magnetic attitude control in omega-regimes

The attitude dynamics of a dual-spin spacecraft (a gyrostat with one rotor) with magnetic actuators attitude control is considered in the constant external magnetic field at the presence of the spacecraft’s own magnetic dipole moment, which is created proportionally to the angular velocity components (this motion regime can be called as “the omega-regime” or “the omega-maneuver”). The research of the dual-spin spacecraft angular motion under the action of the magnetic restoring torque is fulfilled in the generalized formulation close to the classical mechanics’ task of the heavy body/gyrostat motion in the Lagrange top. Analytical exact solutions of differential equations of the motion are obtained for all parameters in terms of elliptic integrals and the Jacobi functions. New obtained analytical solutions can be classified as results developing the classical fundamental problem of the rigid body and gyrostat motion around the fixed point. The technical application of the omega-regime to the angular reorientation of the spacecraft longitudinal axis along the angular momentum vector is considered.     

飞轮控制航天器的自适应姿态跟踪

本文讨论飞轮控制航天器的姿态控制问题。由于航天器在运行过程中受各种复杂环境因素的影响，难以确定其动力学参数的准确值，因此姿态控制系统必须具有自适应能力，以适应不可预计的干扰和航天器自身参数的改变。文中基于滑模控制方法提出一种改进的自适应姿态控制规律，适用于有内扰动力短存在的航天器。此控制规律可在不须提供动力学参数的情况下，使飞轮控制航天器跟踪期望的姿态变化规律以实现姿态机动。利用Lyapunov直接方法证明了控制系统的渐近稳定性。对于受随机扰动力短作用的航天器姿态跟踪的时间历程进行了数值仿真，计算结果证实上述方法的有效性。