多柔体航天器姿态机动非线性动力学特性研究
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摘要
现代移动通信卫星由于大功率和高增益需求,通常都带有大型可展开太阳翼和超大口径天线,其明显结构特征是刚度低、柔性大、阻尼弱、基频低和模态密集,卫星在轨运行期间由于姿态和轨道保持、机动等控制作用,极易激起这些柔性结构振动,而结构振动与全星控制发生耦合作用又会给卫星姿态与轨道运动产生扰动,影响姿态稳定性甚至危害全星安全。但是由于悬吊条件、空气阻力和重力作用等因素影响,使其系统动力学参数无法在地面进行准确测量,给航天器在轨姿态控制及其高精度安全运行带来巨大挑战。为满足控制系统设计仿真和控制器设计裕度,针对这类带大型可展开附件航天器的典型非线性多柔体系统,建立星体与柔性附件两级控制的动力学方程及其附件结构振动方程,并结合工程实际,对卫星进行在轨位保的姿态机动仿真,通过施加脉冲点火和连续点火激励,当太阳翼转至45度时,卫星第六阶和第十二阶模态发散,其它阶模态能够快速收敛。经分析,位保产生的外激励频率近似为整星预算的第六阶和第十二阶模态频率的整数倍,由此引起了非线性系统典型的亚谐共振现象。该现象表明这种带大型天线和太阳翼的复杂柔性航天器,其动力学模型非线性特征显著,卫星在进行姿态控制时,控制策略需要尽量避开动力学特性敏感的工况,以免引起卫星姿态失稳。通过对航天器在轨运行状态下的非线性动力学特性研究,为工程中卫星在轨姿控仿真提供了建模方法和分析途径,尤其是出现的亚谐共振现象对控制系统提出了更高要求的控制策略和控制裕度,同时也为卫星总体方案设计、结构与机构优化、卫星在轨安全可靠运行提供理论依据和技术支持。
引文