日地系统L_2点Halo轨道绳系卫星编队动力学

研究平动点附近周期轨道上旋转多体绳系卫星编队系统的非线性耦合动力学问题。编队系统为各卫星质量接近的轮辐状结构,位于日地系统第二平动点附近,整个系统的旋转保持系绳处于张紧状态,建立Hill限制性三体问题的绳系编队系统动力学模型。针对处于留位阶段的典型对称三星编队,在位于较大Halo轨道上无控制力作用的情况下,进行母卫星轨道运动与系绳摆动耦合运动的动力学模拟,分析轨道方向、卫星质量比、系绳长度以及初始旋转速度对编队系统整体稳定性的影响。     

旋转三角形绳系卫星编队系统动态稳定性分析

本文研究了平动点附近的旋转三角形绳系卫星编队系统的动态稳定性问题.为了便于分析,假设系绳始终保持张紧状态,且不计系绳的质量.为了建立更加符合实际的数学模型,考虑了姿态运动和轨道运动的相互影响,即姿轨耦合,并在此基础上推导出了考虑姿轨耦合的非线性动力学方程.最后用数值方法模拟了在不同的旋转速度情况下系统的动态稳定性,模拟结果表明旋转速率越大系统稳定性越好.     

空间电动绳系推进的动力学建模与分析

为分析空间电动绳系的运动特性，从一般力学角度出发，结合电动力学知识，建立了近地轨道空间电动绳系推进飞行的动力学模型，得出了多种初始条件下的数值计算结果，并据此对电动绳系航天器的轨道机动过程进行了详尽的讨论，阐明了系统在轨道高度变化的同时，其轨道面也会发生变化，而且导电系绳还会旋转与弯曲变形等规律. 此外，还对电动绳系推进系统的效率和地球自转的影响进行了估计.     

考虑姿态的绳系卫星后退时域回收控制

建立了计入子星姿态运动的绳系卫星非线性动力学模型,研究了子星回收过程的非线性后退时域控制问题.将非线性后退时域控制问题伪线性化为一系列线性最优控制,并在Legendre-Gauss点离散,作为该复杂受控绳系卫星系统的数值求解策略.结果表明,通过调节系绳张力和作用于子星上的力矩,可实现子星的稳定回收,所设计的控制律对初始状态扰动、模型误差和外扰力等扰动均有良好的抑制作用.     

时变自由度绳系卫星系统动力学

建立了针对无限维的黏弹性两体绳系卫星系统的时变动力学模型.当系绳释放时,卫星中系绳所对应的离散集中质量由星内移至星外,导致绳系卫星系统的自由度发生改变,成为时变的多自由度绳系卫星系统.基于改进的有限差分法,研究了判定系统自由度发生变化的方法及时变自由度绳系卫星系统动力学响应的计算方法.结果表明,所提出的计算时变自由度系统动力学响应的方法,实现了绳系卫星系统释放动力学行为的数值模拟.     

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.      

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.      

基于微分包含的绳系卫星时间最优释放控制

考虑系绳弹性的影响,建立了绳系卫星系统三维动力学模型,研究了在状态和控制约束下的绳系卫星非线性时间最优控制问题. 为缩减系统变量,控制律设计没有采用通常的状态空间模型,而是基于二阶微分包含,将连续时间最优控制问题离散为大规模动态规化问题,最后通过数值模拟验证了该方法的有效性.      

含芯拧绞绳非线性弯曲动力学特性分析与研究

建立细长缆索大柔性多体动力学模型时,现实存在的复杂捻制几何构型多不予考虑,而是将柔索简化为材料均匀梁进行描述,致使运动仿真模型与物理实际存在一定差距. 为此,研究一种典型非线性拧绞绳股的大变形等效动力学建模方法,考虑准静态与大范围运动情况下绳股内的线接触,计算了受摩擦力及弯曲曲率影响的绳股可变弯曲刚度,通过等效梁模型避免了绳股精细建模时的大规模计算消耗. 基于连续介质力学与绝对节点坐标方法,建立了拧绞绳惯性广义坐标下的多柔体动力学模型. 为了验证等效模型的可行性,与基于有限段方法建立的精细模型进行对比仿真分析,通过位形验证了等效模型的精度. 进一步地,根据力载作用下的准静态构型,研究了特定构型绳股弯曲刚度沿轴向的分布规律;通过自重力下一端固定柔性绳摆自由运动仿真并与传统均匀梁模型相比,研究了模型弯曲特性的差异. 最后,根据能量守恒原理分析了摩擦耗散系统内各种能量间的相互转化. 拧绞绳大变形等效动力学模型能够提高绳索动力系统运动预测的仿真计算效率,还能为钢丝绳参数与构型设计提供依据.      

含芯拧绞绳非线性弯曲动力学特性分析与研究

建立细长缆索大柔性多体动力学模型时,现实存在的复杂捻制几何构型多不予考虑,而是将柔索简化为材料均匀梁进行描述,致使运动仿真模型与物理实际存在一定差距.为此,研究一种典型非线性拧绞绳股的大变形等效动力学建模方法,考虑准静态与大范围运动情况下绳股内的线接触,计算了受摩擦力及弯曲曲率影响的绳股可变弯曲刚度,通过等效梁模型避免了绳股精细建模时的大规模计算消耗.基于连续介质力学与绝对节点坐标方法,建立了拧绞绳惯性广义坐标下的多柔体动力学模型.为了验证等效模型的可行性,与基于有限段方法建立的精细模型进行对比仿真分析,通过位形验证了等效模型的精度.进一步地,根据力载作用下的准静态构型,研究了特定构型绳股弯曲刚度沿轴向的分布规律;通过自重力下一端固定柔性绳摆自由运动仿真并与传统均匀梁模型相比,研究了模型弯曲特性的差异.最后,根据能量守恒原理分析了摩擦耗散系统内各种能量间的相互转化.拧绞绳大变形等效动力学模型能够提高绳索动力系统运动预测的仿真计算效率,还能为钢丝绳参数与构型设计提供依据.