超大柔性空间结构在轨动力学分析与振动控制

The idea of solar power satellite (SPS) is considered to be a potential grand opportunity to address not only energy security, but environmental and space security as well. The size of kilometer level makes the SPS have characteristics of very large and high flexible, which have brought new problems, new features and new challenges for its on-orbit dynamics and control. Hence the on-orbit dynamics modeling, computation, analysis and vibration control of the very large flexible space structures(VLFSS) are studied. Firstly the on-orbit dynamics models of the basic mechanical structures of VLFSS such as column, beam, plate and shell are established based on the Lagrangian variational principle, fully considering the influence of the gravity gradient torques, solar radiation pressure, heat radiation, orbital eccentricity, and large deformation of structures. Secondly, the symplectic algorithms with high accuracy are constructed based on the variational integrators, which are used to study the new features of on-orbit dynamics and the coupling mechanism among structure vibration, attitude motion and orbit motion of VLFSS. Finally, the vibration control of VLFSS is studied and the adaptive robust H∞ control system is designed, by improving the on-line estimation method for time-varying parameters based on the dynamical features of VLFSS. The implementation of this project will present the new models, propose new methods and discover new features for on-orbit dynamics and control of VLFSS, which will provide the technology pull/push necessary to make SPS systems more technically and economically feasible.

空间太阳能电站是解决未来能源、环境和空间安全问题的重要途径，其千米量级尺寸的“超大”和“高柔性”特征给在轨动力学和控制带来了新问题、新特性和新挑战。本项目以此为背景开展超大柔性空间结构在轨动力学建模、计算、响应特性分析和振动控制研究。首先充分考虑重力梯度、太阳光压和热辐射等环境干扰、轨道偏心率和结构大变形的影响，基于Lagrange变分原理分层次地建立起体现力学结构基本特征的“柱、梁、板、壳”等超大柔性空间结构的在轨动力学模型；然后基于变分积分法构造高精度保辛数值算法，研究超大柔性空间结构在轨动力学响应新特性以及结构振动、姿态运动和轨道运动的耦合机理；最后根据响应特性和结构特点发展时变参数的在线估计方法，设计超大柔性空间结构振动的自适应鲁棒H∞控制系统。本项目的实施将为超大柔性空间结构在轨动力学和控制建立新模型、发展新方法、揭示新特性，为我国空间太阳能电站技术提供必要的技术储备和支撑。

超大柔性空间结构的“超大”和“高柔性”特征给在轨动力学和控制带来了新的问题和挑战。本项目主要研究了超大柔性空间结构在轨动力学建模、响应特性分析、振动控制和形状控制问题，包括：（1）在超大柔性空间结构在轨动力学建模和机理分析方面，充分考虑重力梯度影响建立了千米量级哑铃模型的Hamilton体系的动力学模型；采用基于能量等效原理的连续体等效方法，建立了具有周期桁架结构空间太阳能电站的等效柔性梁模型；指出了重力梯度力矩经典近似模型的局限性并修正了近似模型；推导了Mathieu方程形式的模态振动方程，研究了不同初始姿态角下弯曲振动的稳定性。（2）在超大柔性空间结构在轨动力学特性分析方面，提出了Runge-Kutta 法和Newmark法同时迭代的高效数值方法，研究了太阳光压和热辐射等空间环境干扰下的在轨动力学响应特性，揭示了结构振动、姿态运动和轨道运动的耦合机理。研究发现，重力梯度力矩对姿态动力学影响显著，重力梯度力矩与结构尺寸的平方成正比。重力梯度使结构振动与姿态运动产生耦合，结构尺寸达到临界尺寸时系统出现不稳定现象。太阳光压主要影响轨道运动，对姿态运动和结构振动的影响在短期分析中可以忽略。热辐射主要影响结构振动，对轨道运动和姿态运动影响较小。（3）在大型柔性空间结构振动控制方面，发展了大型柔性空间结构转动惯量参数辨识方法研究，提出了基于摄影测量技术的结构动力学参数辨识方法，解决了大型柔性空间结构在轨动力学参数难以精确获取的问题，进而提出了大型柔性空间结构的分布式自适应模型预测振动控制方法，并发展了周期时变控制系统H2范数和Riccati微分方程的扩展精细积分算法，提高了鲁棒控制问题的求解精度和效率。（4）本项目还开展了大型空间智能结构高精度形状主动控制研究，提出了基于影响系数矩阵法的闭环反馈形面主动控制方法，搭建了格栅反射器形面主动控制实验验证系统，验证了形面主动控制方法的精度和有效性。