[著作] 金栋平, 刘福寿, 文浩, 胡海岩. 空间结构动力学等效建模与控制. 北京: 科学出版社, 2021.

发布者:孙加亮发布时间:2021-06-30浏览次数:487

空间结构动力学等效建模与控制

金栋平,刘福寿,文浩,胡海岩


前沿:空间天线结构往往通过可折叠的多级展开臂与星体相连,展开锁定后的尺度可达101~102m量级,其在轨行为方式主要有快速定位、跟踪加速运动的目标、维持反射面几何或光学形面等。为快速定位和跟踪运动目标,卫星本体需要实时姿态调整,以致空间结构受到姿态机动产生的惯性干扰。例如,星载控制力矩陀螺、推进器等产生的通过展开臂传递到空间结构上的稳态和瞬态扰动等。此外,热辐射梯度、空间碎片等冲击也将激发出空间结构的复杂动态响应。由于大型空间结构阻尼很小,源自卫星本体或空间环境的扰动可使大型空间结构产生小至纳尺度的动态响应,而且一旦出现动态响应,则很难在短时间内衰减。比如,小于1Hz的低频振动可致光学反射面天线出现指向误差和散焦,而高频(1~100 Hz)振动则可引发天线结构发生视线抖动。

从动力学的观点看,大型空间结构展开后尺度巨大,通常无法在地面进行天-地动力学等效环境下的全尺度物理仿真,加上大型空间结构往往含有齿轮副摩擦、较接间隙、缠绕线束,以及传感器/驱动器与结构动力学耦合等,使大型空间结构在状态空间上的动力学建模具有不确定性。好的动力学模型及其严格的模型确认过程是实现结构动力学特性和控制系统性能的关键。与直梁和平板不同,壳曲结构受到瞬态载荷作用时,动态响应中往往含有很多个密频模态。从控制的观点看,大型空间结构往往在不可忽略的外部扰动频带和控制带宽内存在很多个模态。例如,美国空军研究实验室(AFRL) “超轻成像技术实验计划(UltraLITE)”下的“可展开光学望远镜”项目,结构有限元模型超过了200万个自由度。然而,即使如此高的自由度建模,也只能粗略地预示结构的前几阶低频模态。基于能量等效原理,建立大型空间结构动力学模型,可为空间结构动力学设计与控制提供重要参考。