[发明专利]大型复杂耦合航天器动力学模型建模方法

说明书

本发明涉及自动控制技术、力学建模领域，为提出一种大型复杂耦合航天器动力学模型建模方法，使建立的数学模型更加贴合实际卫星模型。本发明，大型复杂耦合航天器动力学模型建模方法，步骤如下：S1、建立航天器太阳帆板简化模型；S2、建立液体晃动动力学模型；S3、建立刚液航天器耦合模型；S4、建立的液体晃动模型进行补充，以获得更贴近设计晃动规律的液体晃动数学模型；S5、需要同时考虑S1中柔性附件振动和S2、S3中液体晃动对刚体的耦合影响，建立大型柔性充液航天器动力学模型；S6、最后根据刚柔航天器、刚液航天器模型分析，建立大型柔性充液航天器模型。本发明主要应用于航天器动力学模型建模。

技术领域

本发明涉及自动控制技术、力学建模领域。具体涉及一种大型复杂耦合航天器动力学模型建模方法。

背景技术

随着空间技术的不断发展与航天需求的不断增长，航天器主要沿着两个大的方向发展：一是微小化、集群化，多个微小卫星协同执行某一任务；二是尺寸大、结构复杂，让卫星在太空中长时间执行任务。针对于大型卫星，结构越来越复杂，尺寸也越来越大，但由于发射成本及运载能力限制的原因，在减轻航天器重量的同时，结构的挠性也越来越大。在航天器完成诸如机动、转向和空中对接等动作时，很容易激起柔性结构的振动，这种振动会增加星体姿态调整时间、影响指向精度及航天器精密仪器的正常工作。另外，随着航天器运载能力、机动能力及长寿命等性能的提高，液体燃料质量占航天器总质量的比值不断增大，这种不利影响也随之增大，液体晃动问题在充液航天器的姿态控制系统设计中无法避免，燃料质量的增加容易导致航天器储液箱液体发生强烈晃动，严重影响星体姿态控制的精度与稳定性。因此，对于大型复杂耦合航天器动力学模型的建模主要考虑刚体、柔性附件以及贮液箱中液体晃动的力与力矩的作用。

模型作为控制的基础，对其进行描述与分析有利于航天器控制器的设计。建立大型复杂耦合航天器动力学模型主要分为三个部分：1、分析柔性附件的振动；2、分析液体晃动对刚体运动的影响；3、根据动量矩守恒原理建立大型柔性充液航天器动力学模型。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在提出一种大型复杂耦合航天器动力学模型建模方法，使建立的数学模型更加贴合实际卫星模型，并为航天器控制器的设计提供基础。为此，本发明采取的技术方案是，大型复杂耦合航天器动力学模型建模方法，步骤如下：

S1、先根据太阳能帆板的结构尺寸，忽略对航天器太阳能帆板的动力学影响微弱的小的杆件结构，建立航天器太阳帆板简化模型；

S2、应用动量矩守恒定理建立航天器系统的姿态动力学方程，利用弹簧质量等效模型的前两阶模态对液体晃动部分进行等效，建立液体晃动动力学模型；

S3、采用CFD与等效力学结合的方法，建立刚液航天器耦合模型，具体是采用CFD软件的流体体积函数方法进行三维液体晃动仿真计算，得到椭球体贮箱内流动参数的变化规律，并进行深入分析，从而完善S2采用等效力学模型所得的液体晃动数学模型；

S4、综合考虑S2、S3两种液体建模方法，依据CFD分析软件获得的液体晃动内部参数结果对等效力学方法建立的液体晃动模型进行补充，以获得更贴近设计晃动规律的液体晃动数学模型；

S5、需要同时考虑S1中柔性附件振动和S2、S3中液体晃动对刚体的耦合影响，建立大型柔性充液航天器动力学模型；

S6、最后根据刚柔航天器、刚液航天器模型分析，建立大型柔性充液航天器模型。

步骤S1详细步骤如下：