[科普中國]-航天器動力學(xué)

發(fā)展歷程

自從前蘇聯(lián)1957年10月4日發(fā)射世界上第一個航天器-“人造地球衛(wèi)星一號”以來,航天器經(jīng)歷了由簡單到復(fù)雜、由低級到 高級的發(fā)展歷程.相應(yīng)地，在各個不同發(fā)展階段，航天器動力學(xué)也呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn).

在空間探測初期，航天器規(guī)模較小、結(jié)構(gòu)緊湊、構(gòu)造簡單，而且對航天器控制性能要求不高，因此在動力學(xué)研究中把它當(dāng)作剛體 來處理，并且可以得到滿意的結(jié)果.但是也有例外，最典型的例子 是1958年美國發(fā)射的第一顆人造地球衛(wèi)星“探險(xiǎn)者一號”。該衛(wèi) 星入軌后采用自旋穩(wěn)定，由于懸在星體外面的四根鞭狀天線的彈 性振動，造成系統(tǒng)的內(nèi)能耗散，最后導(dǎo)致衛(wèi)星姿態(tài)失穩(wěn)而翻滾.在 這之后，陸續(xù)有些衛(wèi)星因?yàn)榉莿傂赃\(yùn)動的影響而導(dǎo)致姿態(tài)控制性 能下降或失穩(wěn)。1

后來人們意識到，既然問題出在衛(wèi)星內(nèi)部活動部件的運(yùn)動，就 應(yīng)該放棄理想剛體的假設(shè)，代之以準(zhǔn)剛體模型.準(zhǔn)剛體模型是指 在考慮運(yùn)動學(xué)問題時把星體視為剛體，而在考慮動力學(xué)問題時又 要計(jì)入星體非剛性運(yùn)動所引起的內(nèi)能耗散.準(zhǔn)剛體模型相當(dāng)準(zhǔn)確 地描述了早期衛(wèi)星的動力學(xué)特性，并進(jìn)一步給出了自旋衛(wèi)星、雙自 旋衛(wèi)星的合理的穩(wěn)定性判據(jù).1

60年代中期對重力梯度穩(wěn)定衛(wèi)星可伸展薄壁桿在日光照射 下的熱彈性振動的研究，以及對帶撓性天線的自旋衛(wèi)星的穩(wěn)定分 析表明:撓性振動不只是姿態(tài)控制的干擾，而且是受控對象的一部 分.多剛體系統(tǒng)和充液剛體系統(tǒng)動力學(xué)也受到重視.到70年代 末，以剛體為主體的航天器的姿態(tài)動力學(xué)問題已基本得到解決.1

研究范疇從航天器設(shè)計(jì)學(xué)科角度，航天器動力學(xué)與控制是該科學(xué)的一個重要學(xué)科專業(yè)方向，主要研究航天器在軌運(yùn)行過程中的各類動力學(xué)與控制問題，即研究航天器部件級和全星級作為兩級控制對象的各類動力學(xué)模型及其耦合動力學(xué)特性，以為兩級控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真提供工程實(shí)用的降階動力學(xué)模型及其有關(guān)力學(xué)參數(shù)的系數(shù)矩陣。顯然，研究現(xiàn)代復(fù)雜航天器的各類耦合動力學(xué)特性，一般力學(xué)(矢量力學(xué)和分析力學(xué))提供了航天器動力學(xué)模型的建模原理和方法，固體力學(xué)和流體力學(xué)提供了研究各類耦合動力學(xué)特性的專業(yè)理論基礎(chǔ)。2

從航天器工程角度，航天器動力學(xué)可定義為力學(xué)學(xué)科用于航天器工程的專業(yè)學(xué)科，它既屬于航空宇航科學(xué)與技術(shù)的基礎(chǔ)學(xué)科之一的航天動力學(xué)學(xué)科．又屬于多學(xué)科交叉的空間飛行器設(shè)計(jì)學(xué)科。其任務(wù)是研究航天器從設(shè)計(jì)、研制、試驗(yàn)、發(fā)射到在軌飛行(和返回)全過程的各類動力學(xué)問題的建模分析、仿真評估、優(yōu)化設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證。因此，2000年提出航天器動力學(xué)工程的概念，并出版了科學(xué)專著《航天器動力學(xué)工程》一書，意在從航天器系統(tǒng)工程角度，重點(diǎn)研究運(yùn)用工程力學(xué)的基本理論和方法，建立航天器各類動力學(xué)問題的一般理論模型和工程實(shí)用簡化模型，探索穩(wěn)定、收斂和高效的數(shù)值算法，并在軟件工程規(guī)范指導(dǎo)下開發(fā)航天器動力學(xué)分析、仿真、優(yōu)化軟件系統(tǒng)，以解決航天器各類動力學(xué)工程的分析設(shè)計(jì)問題。2

因此，對于現(xiàn)代復(fù)雜的多體柔性充液航天器系統(tǒng)，航天器動力學(xué)工程是一門多個學(xué)科交叉和綜合性很強(qiáng)的工程力學(xué)學(xué)科，主要和相關(guān)學(xué)科涵蓋一般力學(xué)、固體力學(xué)、流體力學(xué)、軌道動力學(xué)、姿態(tài)動力學(xué)、計(jì)算力學(xué)、實(shí)驗(yàn)力學(xué)、控制理論、制導(dǎo)導(dǎo)航與控制、優(yōu)化理論、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、仿真技術(shù)、軟件工程和系統(tǒng)工程學(xué)等。2

研究內(nèi)容如前所述，航天器動力學(xué)工程的分析發(fā)計(jì)任務(wù)是對航天器設(shè)計(jì)、研制、試驗(yàn)、發(fā)射、飛行(和返回)全過程的各類動力學(xué)問題進(jìn)行建模分析、仿真評估、優(yōu)化設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證研究，并在圍內(nèi)外學(xué)術(shù)理論和方法研究基礎(chǔ)上重點(diǎn)進(jìn)行工程應(yīng)用研究。具體研究內(nèi)容可簡要概述如下：

(1)部件級柔性結(jié)構(gòu)動力學(xué)及其有限元建模分析研究?，F(xiàn)代航天器各類大型可展開柔性附件大都是非線性結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和多體機(jī)構(gòu)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)有限元建模必須從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面突破非線性環(huán)節(jié)的有限單元建模技術(shù)。因此，研究部件級結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性是研究全星級結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性及其各類柔性耦合動力學(xué)特性的理論基礎(chǔ)和前提條件。另外，從全星安全可靠性設(shè)計(jì)要求，必須對發(fā)射段力學(xué)環(huán)境進(jìn)行分析預(yù)示研究，以為全星動態(tài)載荷設(shè)計(jì)和試驗(yàn)規(guī)范制定提供依據(jù)。2

(2)儲箱級流體動力學(xué)建模分析研究。充液儲箱的液體晃動特性不但和飛行過載工況有關(guān)，還依賴于儲箱的規(guī)模、構(gòu)型、數(shù)量、安裝布局、液體質(zhì)量和有關(guān)特性。充液儲箱流體動力學(xué)特性在失重、微重、低重等工況下是極其復(fù)雜的，尤其在姿軌控激勵下極易發(fā)生小幅乃至大幅晃動，嚴(yán)重時會影響全星控制穩(wěn)定性。因此，必須從理論和試驗(yàn)兩方面完成儲箱級液體晃動的流體動力學(xué)模型、小幅單擺等效力學(xué)模型和大幅質(zhì)心面等效力學(xué)模型的建模分析研究，這是研究全星級小幅和大幅晃動耦合動力學(xué)特性的基礎(chǔ)，并可為燃料輸送管理設(shè)計(jì)提供依據(jù)。2

(3)全星級各類耦合動力學(xué)分析、仿真與優(yōu)化研究。復(fù)雜航天器在軌運(yùn)行期間，重點(diǎn)是研究結(jié)構(gòu)振動、液體晃動、多體運(yùn)動和內(nèi)外擾動與全星軌姿運(yùn)動的各類耦合動力學(xué)與控制問題。主要包括柔性航天器動力學(xué)、充液航天器動力學(xué)、航天器多體動力學(xué)、環(huán)境擾動動力學(xué)和星體微振動動力學(xué)等以及全星動力學(xué)與控制總體仿真、優(yōu)化設(shè)計(jì)和試驗(yàn)辨識等理論模型與方法研究，還有其他相關(guān)動力學(xué)問題以及各類非線性問題及其數(shù)值算法研究。應(yīng)該說明，復(fù)雜航天器動力學(xué)特性非常依賴于全星規(guī)模、整星構(gòu)型、安裝布局、質(zhì)量分布、材料特性、結(jié)構(gòu)非線性、運(yùn)動和過載工況以及力學(xué)環(huán)境和空間環(huán)境等，各類耦合動力學(xué)模型必須結(jié)合具體工程進(jìn)行建模才具有工程實(shí)用性。

(4)航天器各類動力學(xué)問題分析、仿真與優(yōu)化軟件系統(tǒng)及其一體化軟件包設(shè)計(jì)開發(fā)研究。航天器動力學(xué)研究的最終成果產(chǎn)品是開發(fā)出各類工程實(shí)用的應(yīng)用軟件，包括航天器動力學(xué)分析軟件、動力學(xué)與控制仿真軟件、動力學(xué)特性優(yōu)化軟件等及其一體化軟件包。需要注意和重視的問題：一是加強(qiáng)結(jié)構(gòu)有限元(NASTRAN/PATRAN)、流體動力學(xué)(Fluent)、多體動力學(xué)(ADAMS)、控制仿真(MATLAB)和CAD(Pro/E)等商品化軟件應(yīng)用開發(fā)研究，ADAMS因其通用性太強(qiáng)有時需自行開發(fā)專用軟件。二是重視各類耦合動力學(xué)軟件和專用軟件的自行開發(fā)研究，但對規(guī)模龐大、功能齊全和工程化要求高的應(yīng)用軟件，還應(yīng)重視通過二次開發(fā)采用商品化軟件作為自行開發(fā)應(yīng)用軟件的框架平臺(如PATRAN、MATLAB、Pro/E)，以充分利用其強(qiáng)大的建模求解和前后置處理功能。三是做到首先按軟件規(guī)范完成分析軟件系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)和程序流程設(shè)計(jì)，因此航天器動力學(xué)分析軟件系統(tǒng)通常由框架平臺、應(yīng)用軟件和服務(wù)軟件三部分構(gòu)成；然后重點(diǎn)完成應(yīng)用軟件各類功能模塊程序開發(fā)及其與框架平臺和服務(wù)軟件(前后置)的接口設(shè)計(jì)開發(fā)；最后完成系統(tǒng)軟件集成測試與考核驗(yàn)證。2

(5)航天器動力學(xué)分析設(shè)計(jì)的工程應(yīng)用研究。根據(jù)航天器任務(wù)和總體、結(jié)構(gòu)、控制與環(huán)境等要求，開展航天器各類動力學(xué)問題的工程分析計(jì)算、總體仿真評估、動力學(xué)特性優(yōu)化、力學(xué)環(huán)境預(yù)示和故障分析與故障對策仿真等，并向總體與結(jié)構(gòu)提供總體設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)優(yōu)化所需的動力學(xué)參數(shù)與力學(xué)環(huán)境條件，以及向控制系統(tǒng)提供工程實(shí)用的航天器兩級控制對象耦合動力學(xué)模型及其全部系數(shù)矩陣和有關(guān)力學(xué)參數(shù)。

(6)航天器動力學(xué)試驗(yàn)研究。在航天器各類動力學(xué)問題理論建模和分析仿真研究基礎(chǔ)上，還要開展地面試驗(yàn)驗(yàn)證研究，主要包括部件級結(jié)構(gòu)振動和儲箱級液體晃動試驗(yàn)及其力學(xué)參數(shù)辨識、多體機(jī)構(gòu)系統(tǒng)展開與撞擊及其鉸鏈和組件試驗(yàn)和力學(xué)參數(shù)辨識、高精度航天器主要微振動擾動部件試驗(yàn)等。還應(yīng)創(chuàng)造條件開展在軌有關(guān)力學(xué)試驗(yàn)，以解決大型柔性構(gòu)件展開構(gòu)型結(jié)構(gòu)振動和儲箱液體晃動在地面試驗(yàn)很難創(chuàng)造精確失重工況的技術(shù)難題。2

(7)航天器動力學(xué)新理論方法跟蹤探索研究∥根據(jù)國際發(fā)展和國內(nèi)新型航天器需求，要超前開展航天器動力學(xué)與控制學(xué)科專業(yè)領(lǐng)域的新理論、新方法和新技術(shù)跟蹤探索和技術(shù)攻關(guān)預(yù)先研究。如未來大型空間結(jié)構(gòu)動力學(xué)與控制關(guān)鍵技術(shù)研究，包括形狀控制和振動抑制技術(shù)及其總體、結(jié)構(gòu)和控制一體化動力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法探索應(yīng)用研究等。2

現(xiàn)代航天器動力學(xué)主要特征現(xiàn)代大型復(fù)雜航天器的動力學(xué)特性極其復(fù)雜，對全星動力學(xué)建模分析及其控制穩(wěn)定性設(shè)計(jì)和指向精度要求都提出嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。其動力學(xué)特征可概述如下：

(1)星載各類大型可展開柔性構(gòu)件使全星呈現(xiàn)為低剛度、大柔性、弱阻尼、低基頻和模態(tài)密集的非線性柔性結(jié)構(gòu)動力學(xué)系統(tǒng)及其展開期間的柔性多體動力學(xué)系統(tǒng)和展成在軌構(gòu)型的柔性耦合動力學(xué)系統(tǒng)，因?yàn)椴考壏蔷€性柔性結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動特性對全星柔性多體動力學(xué)和柔性耦合動力學(xué)特性的影響極大，因此必須首先解決部件級非線性柔性結(jié)構(gòu)動力學(xué)的有限元理論建模和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證問題。2

(2)星載多個大型燃料儲箱使全星呈現(xiàn)為多充液腔、大充液量、強(qiáng)偏心擾動和弱流體阻尼的小幅線性乃至大幅非線性的液體晃動動力學(xué)系統(tǒng)，因?yàn)閮ο浼壋湟合到y(tǒng)的晃動特性對全星晃動耦合動力學(xué)特性影響極大，因此必須首先解決儲箱級非線性流體動力學(xué)及其等效力學(xué)模型的理論建模和晃動試驗(yàn)驗(yàn)證問題。

(3)移動通信等衛(wèi)星大型天線長時間展開過程和跟蹤中繼衛(wèi)星兩副天線在軌工作期間，全星呈現(xiàn)為變結(jié)構(gòu)、變構(gòu)型、變質(zhì)心和變參數(shù)的高維多自由度非線性動力學(xué)系統(tǒng)，這種時變非線性對部件級柔性耦合多體動力學(xué)和全星級柔性耦合姿態(tài)動力學(xué)及其兩級控制器設(shè)計(jì)影響極大，必須首先解決針對部件級多體展開每一種工況將全星變構(gòu)型劃分為若干典型構(gòu)型工況，并采用子結(jié)構(gòu)模態(tài)綜合法建立每種典型構(gòu)型工況的結(jié)構(gòu)有限元模型和開展非線性結(jié)構(gòu)環(huán)節(jié)試驗(yàn)驗(yàn)證。2

(4)因此，航天器在軌長期運(yùn)行工作期間，全星呈現(xiàn)為柔性結(jié)構(gòu)振動、液體燃料晃動和多體系統(tǒng)運(yùn)動與全星兩級控制剛體運(yùn)動相互作甩的強(qiáng)耦合動力學(xué)系統(tǒng)，在部件級柔性結(jié)構(gòu)振動有限元模型和儲箱級液體燃料晃動等效力學(xué)模型建模與驗(yàn)證基礎(chǔ)上，必須解決全星兩級控制對象工程實(shí)用的柔性耦合動力學(xué)、晃動耦合動力學(xué)和多體機(jī)構(gòu)動力學(xué)理論建模和模型降階問題。

(5)星上部件高速轉(zhuǎn)動、大型構(gòu)件步進(jìn)驅(qū)動和大型柔性構(gòu)件冷熱交變熱致運(yùn)動等微重力力學(xué)環(huán)境，使全星總是呈現(xiàn)為微振動動力學(xué)系統(tǒng)，這對高指向精度和高分辨率航天器正常工作影響較大，必須解決這類高精度航天器微振動擾動的一系列關(guān)鍵技術(shù)。2