复杂频繁激励下充液航天器液体大幅晃动的等效建模研究

Violent sloshing of the liquid may take place in liquid-filled spacecraft under complex and frequent excitation in low- or micro-gravity, thus adversely impacting the attitude control and motion stability of the spacecraft. In aerospace engineering, the equivalent mechanical model has been widely used, taking the efficiency and accuracy of computation in account, for liquid simulation and dynamic modeling of liquid-filled spacecraft. However, the traditional equivalent modeling method is incapable of accurately describing the liquid behavior and characteristics of sloshing during certain important maneuvers. In this research, new equivalent modeling methods and thoughts will be proposed, and the equivalent mechanical models applicable to large-amplitude sloshing under complex and frequent excitation will be explored. For one thing, considering large-amplitude sloshing under low-gravity situations like soft landing, the mechanism of dynamic equilibrium position variation will be studied, and based on which the composite equivalent mechanical model will be established for large-amplitude sloshing in tanks of arbitrary shape. For another, aiming at the liquid modeling under complex and frequent excitation in micro- or zero-gravity such as rendezvous and docking, mechanism research will be conducted on the liquid impact toward the tank. Likewise, new spring-mass equivalent mechanical models will be established for liquid in axisymmetric tanks under such situations. Mechanism results of this research will be of high theoretical value, including solutions of the liquid dynamic equilibrium position and the liquid impact. Moreover, the equivalent modeling method provided will be of great practical value and application prospect.

充液航天器内的液体在低重力或微重力复杂频繁激励下，可能发生剧烈晃动并对航天器的姿态控制和运动稳定性产生不利影响。从计算效率、仿真精度等方面综合考虑，航天工程上普遍采用等效力学模型对液体行为及航天器动力学进行仿真。但在一些关键机动中，传统等效建模方法无法准确描述液体晃动行为和特性。本研究将提出新的等效建模方法及思路，并探索适用于复杂频繁激励下液体大幅晃动的等效力学模型。一方面，对于软着陆等低重力液体大幅晃动情形，将开展液体平衡位置变化的机理研究，并以此为基础建立适用于任意形状贮箱的液体大幅晃动复合等效力学模型。另一方面，对于交会对接等微重力或零重力环境复杂频繁激励情形，将开展液体对贮箱冲击作用的机理研究，并建立轴对称贮箱内液体晃动的弹簧-质量等效力学模型。该研究拟解决的液体动平衡位置变化和液体冲击作用的机理性问题具有较高的理论价值，而所提出的等效建模方法在航天工程上将更具应用价值和应用前景。

在低重力或微重力大幅频繁激励下，航天器内的液体可能发生剧烈晃动，并影响航天器的姿态控制和运动稳定性。为了对液体晃动行为进行高效、准确建模，本研究以充液航天器中的液体燃料为研究对象，开展了液体大幅晃动及微重力复杂频繁激励下的液体晃动特性及等效建模研究。.对于探月软着陆等低重力液体大幅晃动情形，对液体平衡位置的变化开展了机理性研究，并以此为基础建立了适用于任意形状贮箱的液体大幅晃动复合等效力学模型。对不同形状贮箱内的液体在恒定加速度平动激励下的平衡状态进行了研究，建立了贮箱几何特征与恒定加速度平动激励下液体平衡位置的关系，并对可变加速度平动激励下液体大幅晃动中平衡位置变化的机理进行了阐述。在此基础上，探索了适用于任意形状贮箱的复合等效建模方法。通过理论推导确定了动平衡状态与复合等效力学模型之间的关系，由模态分析的有限元法确定了复合等效力学模型的各个参数，并推导了包含复合等效力学模型的充液系统动力学方程。以航天工程中常用的矩形贮箱、圆柱形贮箱、Cassini贮箱等为例，考查了该复合等效建模方法与CFD分析结果之间的吻合性，验证了该模型的有效性和准确性。.对于交会对接等微重力复杂频繁激励情形，对液体冲击作用开展了研究，并建立了微重力下液体晃动的弹簧-质量等效力学模型。以水滴形贮箱为例，针对非球形轴对称贮箱建立了适用于液体小幅晃动的三轴弹簧-质量等效力学模型。对微重力下液体对贮箱冲击作用的机理进行了研究，建立了贮箱对液体作用力与液体运动规律之间的关系，建立了适用于大幅复杂频繁激励的三轴弹簧-质量等效力学模型，并给出了液体对贮箱作用力和力矩的求解方法。对于低充液比非球形轴对称贮箱，建立了适用于微重力下的分块弹簧-质量等效力学模型，并完成了等效系统动力学方程的推导。此外，对基于飞机抛物线飞行和落塔实验的微重力液体晃动模型验证的实验研究方法探索进行了初步探索，其结果可为微重力液体晃动的实验设计提供重要参考。