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空间绳系卫星系统动力学建模及仿真研究

作　者: 李强
导　师: 杨乐平
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 航空宇航科学与技术
关键词: 绳系卫星动力学珠式模型 Newton-Euler方法绳系控制纵横向振动仿真
分类号: V414
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
下　载: 330次
引　用: 6次
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内容摘要

空间绳系系统是当代空间技术发展的一个新领域,具有广阔的应用前景。自二十世纪六、七十年代开始,对空间绳系系统相关问题的研究一直持续至今。本文以空间绳系机动和绳网抛撒问题为背景,采用珠式模型和Newton-Euler方法对空间绳系系统动力学及控制问题进行建模和仿真分析。首先简要回顾了空间绳系系统动力学问题的研究概况,并对绳系动力学模型进行了简要介绍。然后在轨道坐标系中建立空间系绳的珠式模型,采用Newton-Euler方法推导系绳的相对运动动力学方程,并与Lagrange能量法所建动力学方程进行比较。本文推导动力学方程所采用的Newton-Euler法,从珠式模型系绳的局部入手,分析单个珠点的受力而得出动力学方程;而Lagrange能量法从绳系系统的整体入手,分析系统的能量,采用Lagrange公式求导得出珠点的动力学方程。然后进一步对绳系系统释放、收拢以及稳定保持等运动过程建模,并考虑了应力控制、速率控制以及子星喷气推力控制等几种常见的控制方式。最后针对应力控制和速率控制方式,对珠式模型和不考虑系绳质量和形状特性的简化模型的动力学特性进行了仿真分析,并对结果进行了比较分析。从珠式模型的仿真结果可以看出,空间系绳释放运动是收敛的,而收敛运动有发散的趋势,另外不同控制方式下系绳动力学过程存在差别,这与理论分析结果是一致的。而通过与简化模型的结果比较看出,两种模型描述的系绳运动是一致的。由于考虑了系绳的弹性应变和分布质量,还有模型本身的特点,使得珠式模型能够细致地描述系绳的纵横向振动,珠式模型能够描述系绳不同的振型,且振动状态有高低频两种,低频的振动状态是由面内外摆角导致的,高频振动是由于系绳弹性和分布质量而导致。而简化模型不能细致的描述系绳的纵横向振动,因此可以应用珠式模型对系绳的纵横向振动问题开展深入的研究。本文研究的模型和方法可以应用于研究空间绳系机动和空间绳网抛撒等问题。

全文目录

图目录  7-9
摘要  9-10
ABSTRACT  10-12
第一章绪论  12-21
  1.1 论文研究背景  12-14
  1.2 绳系系统动力学研究综述  14-18
    1.2.1 绳系系统动力学特性及复杂性  15-16
    1.2.2 绳系动力学研究现状  16-18
  1.3 系绳动力学模型综述  18-20
  1.4 本文研究的主要内容  20-21
第二章空间绳系系统珠式模型  21-32
  2.1 系绳珠式模型  21-22
  2.2 矢量力学动力学方程  22-28
    2.2.1 轨道坐标系与绳系本体坐标系转换关系  22-23
    2.2.2 相对运动矢量方程  23
    2.2.3 系绳珠点受力分析  23-24
    2.2.4 动力学方程  24-28
  2.3 分析力学动力学方程  28-30
  2.4 小结  30-32
第三章空间绳系系统运动模型  32-40
  3.1 绳系释放模型  32-36
  3.2 绳系收拢模型  36-37
  3.3 绳系稳定保持阶段模型  37-38
  3.4 小结  38-40
第四章模型中不同控制方式的应用  40-48
  4.1 系绳应力控制  40-43
  4.2 绳长速率控制  43-46
  4.3 子星喷气推力控制  46-47
  4.4 小结  47-48
第五章仿真结果与比较分析  48-76
  5.1 应力控制下的仿真计算  48-63
    5.1.1 稳定控制  48-58
    5.1.2 释放控制  58-61
    5.1.3 收拢控制  61-63
  5.2 速率控制下的仿真计算  63-75
    5.2.1 匀速释放  63-66
    5.2.2 匀加速释放  66-68
    5.2.3 指数规律释放  68-71
    5.2.4 三阶段型速率释放  71-75
  5.3 小结  75-76
第六章结论与展望  76-78
致谢  78-79
参考文献  79-82
作者在学期间取得的学术成果  82

空间绳系卫星系统动力学建模及仿真研究

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