张拉整体-薄膜系统的动力学分析与形态控制

Classical large, deployable gossamer spacecraft (i.e. the gossamer spacecraft with rigid structures and the gossamer spacecraft with inflatable structures) are plagued by several drawbacks in system shape control, such as the difficulties in accurate shape control of inflatable structures, requirement of numerous additional mechanical connecting parts and actuators for shape changes of rigid structures, significant weight increase introduced by additional system components, high possibility of system deployment failures. This proposal focuses on tensegrity-membrane systems, a class of novel flexible multibody systems, that are free from the drawbacks associated with classical gossamer spacecraft and can achieve controllable shape changes when controls are applied. This research starts with mechanical analysis to develop high-fidelity models and control-oriented models for tensegrity-membrane systems, determine theoretical and numerical methods for system form finding, and design shape change trajectories based on unique mechanical properties of the system. Based on linear and nonlinear control theories, stability analysis for the system is then conducted, as well as robust and optimal control design for controllable system shape changes. This research will provide technical supports for the development of large gossamer spacecraft in low earth orbits and deep-space exploration spacecraft.

传统的大尺寸、可展开、轻质航天器（即基于刚性结构的轻质航天器和基于充气结构的轻质航天器）在系统形态的可控展开方面存在各种缺陷，如充气支架的形态较难精确控制、刚性支架的形态变化依赖于附加的机械连接部件和作动器、附加组件导致系统增重明显、系统展开极易失败。本项目拟研究的张拉整体-薄膜系统是一种全新的刚柔耦合预应力系统，可以很好地克服传统轻质航天器设计的缺点，并能够在控制器的作用下实现可控形态变化。本项目将从力学分析出发，建立能够正确反映系统运动的高精度模型和用于控制器设计的面向控制的简化模型，研究确定系统形态的理论和数值方法，并根据系统独有的机械特性设计系统形态变化轨迹。进而根据线性与非线性控制理论，开展系统稳定性分析，并研究实现系统形态控制的鲁棒控制器和最优控制器设计方法。本项目的研究将为近地大尺寸轻质航天器和深空探测航天器的研制提供技术支撑。

本项目针对大尺寸、可折叠/展开、轻质航天器的设计需求，开展了张拉整体-薄膜系统的系统平衡条件分析、动力学建模、形态控制理论、形态控制律设计与仿真研究。（1）通过引入薄膜折叠技术并对张拉整体-薄膜系统概念进行拓展，提出了可折叠张拉整体-薄膜系统，使系统折叠形态能够获得更小的外形尺寸。薄膜预应力的变化使得系统具有两种预应力构型：张拉整体构型和张拉整体-薄膜构型，分别建立了两种构型下的系统平衡条件。（2）建立了张拉整体-薄膜系统的非线性有限元模型，引入非线性材料模型，能够在两种系统构型下描述系统的刚柔耦合动力学特性。（3）基于拉格朗日方程和完整约束方程，建立了张拉整体-薄膜系统的面向控制简化模型，该模型由微分-代数方程描述，可用于系统动力学分析和控制律设计。在频域和时域进行数值仿真，对两个系统数学模型的性能进行了对比和分析。（4）提出了张拉整体系统的零空间正交控制原理，揭示了张拉整体系统形态设计与控制设计之间的必然关系，即张拉整体系统的有效形态控制输入必须与其形态平衡矩阵的零空间正交。通过研究发现张拉整体系统的线性最优形态控制律（如LQR控制律、H∞控制律等）均需要满足该零空间正交条件。在零空间正交方法的框架下，综合零空间正交控制方法和动态逆控制方法，设计了张拉整体非线性形态控制律。（5）采用LPV控制方法，设计了张拉整体-薄膜系统在折叠/展开过程的形态控制律。由于在系统的折叠/展开过程中将出现系统构型切换，通过设计LPV控制律实现了系统在完整折叠/展开过程中的可控形态变化，并且给出了良好的控制性能。（6）提出了一种系统形态组合控制策略，采用准静态开环形态运动控制律和H∞闭环形态稳定控制律，实现了面向工程应用的低成本系统形态控制方法。（7）制造了张拉整体-薄膜系统小型样机，对张拉整体-薄膜系统的概念可行性、系统形态设计方法、系统平衡条件等结果进行了检验和验证。