近地卫星刚柔耦合动力学建模研究

摘要

随着人类对太空探索的深入，卫星技术迅速发展起来，而卫星技术的发展是离不开卫星模型的建立。由于卫星自身结构的复杂性和太空环境的特殊性，在卫星动力学建模中，忽略柔性体的弹性振动对卫星在轨飞行影响很大，带来的损失也是巨大的，因此必须合理的考虑柔性体的弹性振动以及星本体的刚性运动与柔性体弹性振动的耦合作用。
　　本文的研究对象为在轨的带有太阳帆板和周边桁架式可展开环形天线的卫星，且天线与星本体之间用细长的连接臂连接起来。本文首先建立了卫星主要结构的有限元模型，根据卫星有限元模型的分析以及模态降阶技术，建立了卫星的简化模型。其次，本文运用假设模态法对梁进行离散，且考虑梁的横向变形引起的轴向变形和空间万有引力的作用，采用第二类拉格朗日方程推导出近地卫星带动力刚化项的一次近似刚柔耦合动力学方程。最后，数值仿真零次近似刚柔耦合动力学模型与本文建立的一次近似刚柔耦合动力学模型，结果表明卫星中心平台的刚体运动影响挠性附件的弹性变形，挠性附件的弹性变形会对中心刚体施加反作用力，从而影响卫星中心刚体的运动；传统的零次近似动力学模型由于没有考虑动力刚化现象，对卫星动力学响应的描述是不准确；一次近似刚柔耦合动力学模型中带有动力刚化项，更加准确地描述了近地卫星姿态调整时的动力学响应。
　　本文还研究了不同的物理特性和结构特征对卫星动力学响应的影响，这对卫星结构优化设计、控制规律设计以及挠性附件的振动抑制提供一定意义上的指导。

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第一章 绪论

1.1 课题来源及研究背景和意义

1.1.1 课题来源

1.1.2 研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 多体系统动力学的研究现状

1.2.2 挠性航天器动力学建模方法的研究现状

1.2.3 多体系统刚柔耦合动力学建模原理研究现状

1.3 主要研究内容与论文结构安排

第二章 研究模型及相关问题的描述

2.1 引言

2.2 研究模型

2.2.1 物理模型

2.2.2 有限元模型

2.2.3 简化模型

2.3 卫星各附件所受到的万有引力

2.4 柔性梁几何非线性变形场的描述

2.5 本章小结

第三章 一次近似刚柔耦合动力学建模

3.1 引言

3.2 刚柔耦合动力学建模

3.2.1 连接臂和星本体的动力学建模

3.2.2 集中质量点的动力学建模

3.2.3 太阳帆板的动力学建模

3.3 卫星一阶刚柔耦合动力学数值仿真

3.3.1 仿真模型及物理参数

3.3.2 卫星绕Z轴姿态调整

3.3.3 卫星在轨道平面上平动

3.3.4 卫星在空间作平面运动

3.4 本章小结

第四章 基于卫星结构参数的动力学响应分析

4.1 引言

4.2 天线的总质量对卫星在轨动力学响应的影响

4.3 连接臂的弹性模量对卫星在轨动力学响应的影响

4.4 连接臂的长度对卫星在轨动力学响应的影响

4.5 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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