大型柔性航天器姿态运动与结构振动的耦合动力学特性研究

For a large scale flexible spacecraft (LSFS) which is composed of large scale flexible structures, the property of inertia of the flexible components may exceed that of the spacecraft platform significantly. The coupling effect of attitude motion and structural vibration is very prominent for LSFS and the study of nonlinear coupling dynamic characteristics of attitude motion and structural vibration for the LSFS with complicated external excitation is an important scientific issue to be solved urgently. This study may involve deeply the innovation and breakthrough of the fundamental theory of dynamical modeling of multi-flexible-body systems and nonlinear dynamics, and will be an important base of independent innovation design of the LSFS. Taking a flexible spacecraft with large solar panels as a typical example of LSFS, this project will focus on the investigation of the rigid-flexible coupling dynamic characteristics of attitude motion and structural vibration. The main contents can be stated as follows: to find the analytical form of the rigid-flexible coupling global modes for joint-connected multi-plate structure; to develop a novel approach to obtain rigid-flexible coupling global modes and construct the multi-degree-of-freedom nonlinear dynamical model for LSFS; to study the rigid-flexible coupling nonlinear dynamic characteristics of in-orbit LSFS with complicated external excitation; and the experimental validation of the global modes and nonlinear dynamic characteristics of a spacecraft model with large scale solar panels. The research achievements obtained from this project will provide theoretical supports for the independent innovation design of the LSFS.

大型柔性航天器由大型柔性结构构成，其柔性部件的惯性特性在航天器整体中占有较大比例，在特殊情况下甚至可能大幅超过航天器平台的占比。大型柔性航天器姿态运动与结构振动的耦合效应突出，研究其在复杂外激励作用下的姿态运动与结构振动的非线性耦合动力学特性是亟待解决的关键问题，这涉及柔性多体系统动力学建模与非线性动力学分析基础理论的创新与突破，是大型柔性航天器自主创新设计的重要基础。本项目以带大型太阳翼的柔性航天器为例，开展其姿态运动与结构振动的耦合动力学特性研究，主要研究内容包括：铰链连接的多板组合结构刚柔耦合全局模态求解方法，大型柔性航天器刚柔耦合全局模态求解方法与非线性动力学模型构建，在轨运行的大型柔性航天器刚柔耦合非线性动力学特性研究，带大型太阳翼航天器的刚柔耦合全局模态测试和非线性动态响应实验等。本项目的研究成果将为我国大型柔性航天器的自主创新设计提供理论支撑。

随着航天器结构朝着柔性化和轻型化方向的发展，由航天器外部扰动（如空间碎片撞击、空间环境力矩等）和姿态机动激起的柔性结构振动将对航天器姿态产生显著影响。解决超大型柔性航天器姿态-结构耦合动力学与控制问题的重要前提是获得能够反映结构的连接非线性和几何非线性特征，且具有较低自由度的非线性动力学模型。本项目针对超大型柔性航天器的姿态-结构耦合动力学与控制问题，开展了铰接多板组合结构刚柔耦合全局模态求解、大型柔性航天器刚柔耦合全局模态求解与非线性动力学模型构建、在轨运行大型柔性航天器刚柔耦合非线性动力学特性的一系列研究。突破大型柔性结构全局模态函数的提取难题，取得的主要创新性成果包括：(1) 针对铰接多板组合结构，给出了基板间铰接接触刚度的模拟与表征方法，提出了反映结构动力学特性的刚柔耦合全局模态的提取方法；(2) 提出了携带大型柔性太阳翼的航天器姿态运动-结构振动的刚柔耦合全局模态提取方法，设计了携带铰接多基板太阳翼航天器的地面实验模型，在气浮转台上进行模态实验表明了全局模态提取方法的有效性；(3) 构建了航天器姿态运动-结构振动的多自由度非线性动力学模型，揭示了姿态控制脉冲力矩、周期脉冲力矩等对柔性航天器结构非线性振动响应的影响规律和航天器平台的姿态运动规律，在气浮转台上对航天器地面实验模型进行非线性动态响应实验，表明了求解方法的有效性。通过本项目的研究，实现了大型柔性航天器刚柔耦合动力学建模与非线性动力学分析基础理论的创新与突破，为我国大型柔性航天器的自主创新设计提供了基础理论支撑。项目研究成果已被创新性地应用于带环形桁架天线和柔性太阳翼的大型柔性航天器的动力学建模与非线性振动研究，并实现了从二维平面结构到三维空间结构全局模态提取的跨越。项目执行期间，共发表期刊论文110余篇，其中SCI收录83篇，培养动力学与控制专业博士/硕士研究生30余人，为我国空天飞行器动力学与振动控制研究培养了优秀的专业人才。