燃料消耗下充液航天器等效动力学建模与分析

在轨航天器贮腔内的液体可能表现出多种不同的运动模式, 主要包括液体相对于贮腔的整体性刚体运动、自由液面横向晃动、液体起旋后逐步发生明显的旋转晃动及液体自旋运动; 复合三自由度刚体摆晃动模型能够较为全面地描述这些液体运动模式, 同时为研究起旋阶段的液体晃动动力学问题提供了有效手段. 本文对非线性液体晃动刚体摆复合模型作进一步发展, 考虑模型等效参数随贮腔充液比的变化, 提出了变参数的刚体摆复合模型, 该模型适用于研究燃料消耗下非线性晃动类充液航天器大范围运动耦合动力学问题. 采用刚体摆复合模型对球形贮腔内的液体晃动进行等效后, 基于混合坐标意义下的拉格朗日方程推导了一类充液航天器轨道-姿态-晃动全耦合的动力学方程组, 并展开了充液航天器大角度三轴稳定姿态机动和零冲量轨道机动仿真以及航天器耦合动力学响应特性分析. 研究表明: 液体相对于贮腔的运动会造成航天器主刚体位置发生偏移, 当航天器在执行零冲量机动时, 燃料消耗会造成航天器的轨道平动速度无法收敛到零; 贮腔偏心布放时, 航天器在执行轨道机动过程中贮腔内液体易发生剧烈而且形式复杂的晃动行为, 进而可能造成航天器刚体运动的不稳定.      

EQUIVALENT DYNAMICS MODELING AND ANALYSIS OF LIQUID-FILLED SPACECRAFT WITH FUEL CONSUMPTION 1)

在轨航天器贮腔内的液体可能表现出多种不同的运动模式, 主要包括液体相对于贮腔的整体性刚体运动、自由液面横向晃动、液体起旋后逐步发生明显的旋转晃动及液体自旋运动; 复合三自由度刚体摆晃动模型能够较为全面地描述这些液体运动模式, 同时为研究起旋阶段的液体晃动动力学问题提供了有效手段. 本文对非线性液体晃动刚体摆复合模型作进一步发展, 考虑模型等效参数随贮腔充液比的变化, 提出了变参数的刚体摆复合模型, 该模型适用于研究燃料消耗下非线性晃动类充液航天器大范围运动耦合动力学问题. 采用刚体摆复合模型对球形贮腔内的液体晃动进行等效后, 基于混合坐标意义下的拉格朗日方程推导了一类充液航天器轨道-姿态-晃动全耦合的动力学方程组, 并展开了充液航天器大角度三轴稳定姿态机动和零冲量轨道机动仿真以及航天器耦合动力学响应特性分析. 研究表明: 液体相对于贮腔的运动会造成航天器主刚体位置发生偏移, 当航天器在执行零冲量机动时, 燃料消耗会造成航天器的轨道平动速度无法收敛到零; 贮腔偏心布放时, 航天器在执行轨道机动过程中贮腔内液体易发生剧烈而且形式复杂的晃动行为, 进而可能造成航天器刚体运动的不稳定.     

基于多尺度方法的平动圆柱贮箱航天器刚——液耦合动力学研究

以充液航天器为工程背景,借助多尺度方法研究刚--液耦合动力学系统非线性动力学特性.利用多维模态方法,将描述横向外激励下圆柱贮箱中液体非线性晃动的自由边界问题转换为液体模态系数相互耦合的有限维非线性常微分方程组.推导液体晃动产生的作用于贮箱壁的晃动力和晃动力矩的解析表达式,进而建立航天器刚体部分平动和液体晃动耦合的非线性动力学方程组.应用多尺度方法对刚--液耦合系统的动力学特性进行解析分析,通过固有频率的特征方程求解耦合系统固有频率,推导外激励频率接近耦合系统第一阶固有频率时液体晃动稳态解的幅值频率响应方程.结合数值方法,研究了液体晃动稳态解的幅值频率响应曲线和激励--幅值响应曲线.结果表明, 随充液比变化,液体晃动稳态解的幅值频率响应曲线会发生软、硬弹簧特性转换现象和"跳跃"现象;幅值频率响应曲线的软、硬弹簧特性转换点受重力加速度和弹簧刚度系数影响;以上所得研究结果表明,考虑非线性效应时的刚--液耦合系统动力学特性与传统的线性系统模型所显示的动力学特性具有本质区别.本文的研究工作对进一步分析充液航天器刚--液耦合非线性动力学特性具有重要参考价值.      

充液航天器液体晃动和液固耦合动力学的研究与应用

随着火箭运载能力、卫星工作寿命和深空探测器任务复杂度的不断提高, 液体推进剂占航天器总质量的比重也不断增加. 液体推进剂的晃动影响着航天器的运动稳定性和姿轨控系统的可靠性, 是航天器动力学中一个备受关注的问题. 充液航天器中晃动的液体是一个分布参数系统, 理论上是无穷维的, 而工程上希望建立的数学模型是简单、低维的, 因此对液体晃动等效力学模型的研究经久不衰. 另外, 液体推进剂对航天器的结构动特性有着重要的影响, 在建立充液航天器的结构动力学模型时需要考虑液体推进剂与贮箱等结构的耦合效应. 本文首先结合液体晃动动力学理论和航天工程实际, 从理论研究、数值研究和实验研究等三个方面综述了国内外在充液航天器液体晃动动力学领域的研究现状, 并以此为基础介绍了航天工程中液体晃动等效力学模型的应用进展情况; 然后, 以液体运载火箭为例概述了国内外在充液航天器液固耦合建模方面的成果,介绍了求解液固耦合问题的数值方法和应用软件; 最后, 根据航天器工程的发展需求, 对充液航天器液体晃动和液固耦合动力学的进一步研究方向提出了一些建议.      

矩形贮箱内液体非线性晃动动力学建模与分析

基于理想流体的假设，根据H-O原理建立了充液贮箱刚体平动与液体非线 性晃动的耦合动力学方程，通过引入改进的势函数描述刚体和液体之间的动边界. 利用伽辽 金方法对动力学方程进行了离散. 针对液体非线性晃动情况，与ALE有限元方法、边界元方 法的结果进行了比较，验证了方法的可行性. 对刚体平动和液体非线性晃动耦合的情 况，数值模拟了多种外力激励下系统的响应. 利用等效力学模型解释了耦合系统固有频率升 高的现象.     

基于多尺度方法的平动圆柱贮箱航天器刚–液耦合动力学研究

以充液航天器为工程背景,借助多尺度方法研究刚–液耦合动力学系统非线性动力学特性.利用多维模态方法,将描述横向外激励下圆柱贮箱中液体非线性晃动的自由边界问题转换为液体模态系数相互耦合的有限维非线性常微分方程组.推导液体晃动产生的作用于贮箱壁的晃动力和晃动力矩的解析表达式,进而建立航天器刚体部分平动和液体晃动耦合的非线性动力学方程组.应用多尺度方法对刚–液耦合系统的动力学特性进行解析分析,通过固有频率的特征方程求解耦合系统固有频率,推导外激励频率接近耦合系统第一阶固有频率时液体晃动稳态解的幅值频率响应方程.结合数值方法,研究了液体晃动稳态解的幅值频率响应曲线和激励–幅值响应曲线.结果表明,随充液比变化,液体晃动稳态解的幅值频率响应曲线会发生软、硬弹簧特性转换现象和"跳跃"现象;幅值频率响应曲线的软、硬弹簧特性转换点受重力加速度和弹簧刚度系数影响;以上所得研究结果表明,考虑非线性效应时的刚–液耦合系统动力学特性与传统的线性系统模型所显示的动力学特性具有本质区别.本文的研究工作对进一步分析充液航天器刚–液耦合非线性动力学特性具有重要参考价值.     

多储液腔航天器刚液耦合动力学与复合控制

采用复合控制方法对充液航天器的姿态和轨道机动进行高精度控制.通过傅里叶-贝塞尔级数展开法,将低重力环境下液体的弯曲自由表面的动态边界条件转化为简单的微分方程,其中耦合液体晃动方程的状态向量由相对势函数的模态坐标和波高的模态坐标组成.通过广义准坐标下的拉格朗日方程得到航天器刚体部分运动和液体燃料晃动的耦合动力学方程,提出了自适应快速终端滑模策略和输入整形技术相结合的复合控制器,并分别用于控制携带有一个燃料腔和四个燃料腔航天器的轨道机动和姿态机动.通过数值模拟来验证控制器的效率和精度.结果表明,对于多储液腔航天器,如果在设计航天器的姿态和轨道控制器时没有充分考虑燃料晃动效应,那么在受控航天器系统中将会出现刚-液-控耦合问题并导致航天器姿态不稳定.而本研究中的复合自适应终端滑模控制器可以实现航天器机动的高精度控制并有效抑制液体燃料晃动.     

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.      

微重力下圆柱形贮箱内液体晃动的分岔现象

为了得到微重力下液体晃动的特性,晃动模态用具有水平静液面的液体晃动模态近似. 液体晃动取前5 个重要模态,用Lagrange 方程推导了横向力作用下液体晃动和航天器结构的无量纲的耦合动力学方程并进行数值模拟. 模拟了液体晃动模态随外力振幅和频率变化产生的分岔现象,并分析了系统参数,如Bond数、接触角、接触角迟滞、充液高度、频率比、质量比以及外力的周期形式和方向等对晃动模态的分岔的影响.     

Motion stability dynamics for spacecraft coupled with partially filled liquid container

This paper presents a canonical Hamiltonian model of liquid sloshing for the container coupled with spacecraft. Elliptical shape of rigid body is considered as spacecraft structure. Hamiltonian system is an important form of mechanical system. It mostly used to stabilize the potential shaping of dynamical system. Free surface movement of liquid inside the container is called sloshing. If there is uncontrolled resonance between the motion of tank and liquid-frequency inside the tank then such sloshing can be a reason of attitude disturbance or structural damage of spacecraft. Equivalent mechanical model of simple pendulum or mass attached with spring for sloshing is used by many researchers. Mass attached with spring is used as an equivalent model of sloshing to derive the mathematical equations in terms of Hamiltonian model. Analytical method of Lyapunov function with Casimir energy function is used to find the stability for spacecraft dynamics. Vertical axial rotation is taken as the major axial steady rotation for the moving rigid body.     

Analytical method for the attitude stability of partially liquid filled spacecraft with flexible appendage

In this paper, the attitude stability of liquid-filled spacecraft with flexible appendage is investigated. The motion of liquid sloshing is modeled as the spherical pen-dulum, and the flexible appendage is approached by a linear shearing beam. Nonlinear dynamic equations of the coupled system are derived from the Hamiltonian. The stability of the coupled system was analyzed by using the energy-Casimir method, and the nonlinear stability theorem of the coupled spacecraft system was also obtained. Through numerical computation, the correctness of the proposed theorem is verified and the boundary curves of the stable region are presented. The increase of the angular velocity and flexible attachment length will weaken the attitude stability, and the change of the filled ratio of liquid fuel tank has a different influence on the stability of the coupled spacecraft, depend-ing on the different conditions. The attitude stability analysis of the coupled spacecraft system in this context is useful for selecting appropriate parameters in the complex spacecraft design.     

中心舱体与薄壁梁刚-柔耦合系统的热弹性-结构动力学分析

空间柔性结构受太阳热流冲击而诱发的振动是导致航天器失效的典型模式之一,准确预测结构热致振动的响应及稳定性是卫星设计的基础。针对常见的中心舱体与附属薄壁杆件组成的空间结构,提出了考虑刚-柔耦合、耦合热弹性和耦合热-结构三重耦合效应的热致振动分析理论模型。其中,刚-柔耦合是指舱体姿态角、顶端集中质量转动与柔性附件运动的耦合;耦合热弹性是指应变率与温度场的耦合;耦合热-结构是指舱体转动及结构变形与薄壁杆件吸收太阳热流的耦合。基于热弹性理论和Lagrange方程,推导了传热和运动的耦合方程;采用Laplace变换方法并使用Routh-Hurwitz稳定判据推导了稳定性边界方程。结果表明,该模型能够更为准确的给出热致振动响应及稳定性预测。