航天器微振动及其抑制技术研究

摘要

随着人类航天活动和技术的日趋频繁和成熟,一些新的应用诉求应时而生,尤其是激光通信和高精度成像等技术的应用,对航天器的精度提出了新的要求。然而航天器系统上的旋转飞轮、天线、帆板驱动和斯特林制冷机等部件的不平衡运动,将产生微振动,直接影响高精度航天器姿态的稳定度。
　　本文以此为背景,研究了含有动静不平衡质量的飞轮的高速转动对姿态产生的微振动的影响,在建立姿态动力学方程的过程中,无省略和简化,保证了卫星系统的建模以及仿真结果的可靠性;并在保证微振动特性的前提下,合理化地改变飞轮的一些运动参数,分析该参数对卫星姿态微振动的影响程度;为抑制不平衡飞轮转动产生的微振动,提出了合理的反馈姿态控制策略,引入的反馈中含有微振动的高频速度,通过滤波降低了高频对控制环节的影响,既节约了能源,同时保证了航天器系统的指向精度;
　　以飞轮动静不平衡质量的扰动特性为基础,本文推导了具有动静不平衡质量飞轮、柔性帆板以及帆板进动的耦合的整星姿态动力学方程,以分析三者以及三者耦合作用下航天器姿态的微振动。
　　对于柔性帆板的微幅振动,采用截断模态研究其振动对姿态的影响,同时,对于截断模态的有效性进行了惯性完备性检验法则,验证了模态截断阶数的合理性;为了抑制卫星帆板的微振动对姿态的影响,基于耦合的整星动力学方程,分析了安装不同的结构阻尼以后,帆板的柔性微幅振动对航天器姿态和速度的影响,同时,仿真分析了阻尼对控制作用的影响,以及在一些极端不利条件——如共振的情况下,阻尼对帆板振动的影响,研究发现阻尼对振动具有较好的抑制效果。并仿真分析了帆板的对日跟踪进动时产生的微振动对整星姿态的影响,提出了切实地姿态控制策略,保证了其指向精度;进一步考虑动静不平衡质量、帆板的进动、帆板的弹性振动三者耦合对姿态微振动的影响,飞轮的转速多次穿越共振区,研究三者耦合对姿态的影响,发现穿越共振区时,对姿态精度的影响最大。并提出被动隔振措施,提高了有效载荷的指向精度,同时,对被动隔振措施,再进行修正,保证了其对星体机动的响应能力,且满足有效载荷所需要的稳定度。

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第1章 绪论

1.1 课题背景与意义

1.2 国内研究现状

1.3 国外研究现状

1.4 微振动抑制

1.5 本文研究主要内容

第2章 含有动静不平衡质量飞轮的姿态动力学方程

2.1 引言

2.2 参考坐标系

2.3 航天器系统

2.4 航天器系统动量矩

2.5 航天器姿态动力学方程

2.6 不平衡飞轮模型

2.7 卫星系统质心方程

2.8 姿态动力学方程中各项的分量列阵

2.9 整星动量矩守恒

2.10 本章小结

第3章 含有动静不平衡质量飞轮扰动特性及分析

3.1 引言

3.2 卫星系统参数

3.3 微量分析与模型简化

3.4 不同的转动工况分析

3.5 稳定性分析

3.6 干扰力矩组合工况对姿态影响

3.7 扰动分析

3.8 高精度对地定向分析

3.9 本章小结

第4章 柔性航天器姿态动力学方程

4.1 引言

4.2 参考坐标系

4.3 粘性系统的Lagrange方程

4.4 航天器系统动能

4.5 航天器系统的姿态动力学方程

4.6 帆板模态分析

4.7 惯性完备性准则检验

4.8 平动对振动的影响

4.9 本章小结

第5章 柔性航天器微振动和抑制分析

5.1 引言

5.2 帆板柔性振动

5.3 帆板共振

5.4 帆板的进动

5.5 帆板的进动、柔性振荡和飞轮动静不平衡的耦合

5.6 被动隔振

5.7 三阶被动隔振

5.8 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢