大型空间天线在轨展开过程与航天器本体间的耦合动力学研究

Large space deployable antenna is a class of large scale aerospace mechanism-structure system with the function of folding and in-orbit deployment. Its in-orbit deployment process is under the influences of these nonlinear factors such as flexible cable net, joint clearance, friction, alternating thermal field and the flexibility of bars. At the same time, the strong nonlinear coupling is existed between its deployment process and the spacecraft body, which effects on the attitude control of spacecraft. This project employs the large space antenna for the important engineering application of space science and technology as the research object, and takes the deployment reliability of antenna in-orbit and the attitude stability of aircraft body as the highest goal. It aims at revealing the influence mechanism of the nonlinear factors on the antenna’s deployment movement in the microgravity environment, proposing the modeling method for the rigid-flexible coupling dynamics of the antenna’s deployment process, and analyzing the coupling dynamics characteristic between the antenna’s deployment process and the attitude control of spacecraft body. On the basis above, we propose the optimal control strategy and decoupling control method of the antenna’s deployment in-orbit to solve the key scientific problems of the large space antenna deploying in-orbit. The research results of this project will enrich and perfect the theory theoretical system and technology method of the deployment dynamics modeling, analysis and control of large space antenna, provide the fundamental theory and technological supports for the implement of our major space scientific programs, and have important academic and practical application values.

大型空间可展开天线是一类具有折叠和在轨展开功能的大尺度宇航机构-结构系统，其在轨展开过程受到柔性索网、关节间隙、摩擦、热交变温度场以及杆件柔性等非线性因素的影响，同时其展开过程与航天器本体间呈现强非线性耦合特点，对航天器本体的姿态控制产生不利影响。本项目以面向航天重大科技工程应用的大型空间天线为研究对象，以天线在轨展开的可靠性与航天器本体姿态的稳定为最高目标，揭示微重力环境下的非线性因素对天线展开运动的影响机理，提出天线刚柔耦合展开动力学建模方法，分析天线在轨展开与航天器姿态控制的耦合动力学特性，在此基础之上，提出天线展开最优控制策略与去耦控制方法，解决大型空间天线在轨展开遇到的关键科学问题。本项目的研究成果将丰富与完善我国大型空间天线在轨展开过程动力学建模、分析与控制的理论体系与技术方法，为我国航天重大科技工程的开展提供理论基础与技术支持，具有重要的学术与现实应用价值。

大型空间可展开天线是一类具有折叠和在轨展开功能的大尺度宇航机构-结构系统，其在轨展开过程受到柔性索网、关节间隙、摩擦、热交变温度场以及杆件柔性等非线性因素的影响，同时其展开过程与航天器本体间呈现强非线性耦合特点，对航天器本体的姿态控制产生不利影响。鉴于此，本项目考虑天线支撑臂的大挠性特点，采用绝对节点坐标方法建立天线支撑臂的柔性动力学模型，对天线支撑臂的动力学特性进行了预测，并提出三种抑制振动的改进方案；为了研究索网系统、关节阻尼以及滑轮-绳索摩擦对天线机构展开过程的动力学影响规律，基于拉格朗日方法建立了包含刚性桁架、柔性索网以及驱动装置的多体系统动力学模型，通过仿真分析获取了控制绳索的力衰减传递规律以及关节阻尼对机构展开的影响关系，提出一种基于Bezier函数的机构展开运动规划方法，通过建立优化模型，获得了天线展开最优轨迹；基于有限元理论，建立了包含卫星本体、大挠性支撑臂、可展天线以及太阳能帆板在内的航天器系统耦合动力学模型，研究了航天器系统的模态，并进行了谐响应分析和冲击响应分析，并对航天器系统基频的影响因素进行分析，获取了系统的固有属性参数；考虑到太空中存在复杂未知的动态干扰以及反射器动力学模型的不精确性，对应不同的动力学模型精度，分别设计了基于Backstepping思想的自适应滑模控制器和模糊PID控制器两种控制方案，并通过仿真验证了方案可行性；设计研制一套环形桁架式展开天线地面原理试验样机及相关的地面实验系统，并进行多次展开收拢实验和绳索张力测试实验，实验结果表明机构有良好的展收性能，绳索张力实验结果验证了动力学模型的有效性。本项目的研究成果丰富与完善了我国大型空间天线在轨展开过程动力学建模、分析与控制的理论体系与技术方法，为我国航天重大科技工程的开展提供理论基础与技术支持，具有重要的学术与现实应用价值。