[科普中国]-航天器动力学

发展历程

自从前苏联1957年10月4日发射世界上第一个航天器-“人造地球卫星一号”以来,航天器经历了由简单到复杂、由低级到 高级的发展历程.相应地，在各个不同发展阶段，航天器动力学也呈现出不同的特点.

在空间探测初期，航天器规模较小、结构紧凑、构造简单，而且对航天器控制性能要求不高，因此在动力学研究中把它当作刚体 来处理，并且可以得到满意的结果.但是也有例外，最典型的例子 是1958年美国发射的第一颗人造地球卫星“探险者一号”。该卫 星入轨后采用自旋稳定，由于悬在星体外面的四根鞭状天线的弹 性振动，造成系统的内能耗散，最后导致卫星姿态失稳而翻滚.在 这之后，陆续有些卫星因为非刚性运动的影响而导致姿态控制性 能下降或失稳。1

后来人们意识到，既然问题出在卫星内部活动部件的运动，就 应该放弃理想刚体的假设，代之以准刚体模型.准刚体模型是指 在考虑运动学问题时把星体视为刚体，而在考虑动力学问题时又 要计入星体非刚性运动所引起的内能耗散.准刚体模型相当准确 地描述了早期卫星的动力学特性，并进一步给出了自旋卫星、双自 旋卫星的合理的稳定性判据.1

60年代中期对重力梯度稳定卫星可伸展薄壁杆在日光照射 下的热弹性振动的研究，以及对带挠性天线的自旋卫星的稳定分 析表明:挠性振动不只是姿态控制的干扰，而且是受控对象的一部 分.多刚体系统和充液刚体系统动力学也受到重视.到70年代 末，以刚体为主体的航天器的姿态动力学问题已基本得到解决.1

研究范畴从航天器设计学科角度，航天器动力学与控制是该科学的一个重要学科专业方向，主要研究航天器在轨运行过程中的各类动力学与控制问题，即研究航天器部件级和全星级作为两级控制对象的各类动力学模型及其耦合动力学特性，以为两级控制系统设计仿真提供工程实用的降阶动力学模型及其有关力学参数的系数矩阵。显然，研究现代复杂航天器的各类耦合动力学特性，一般力学(矢量力学和分析力学)提供了航天器动力学模型的建模原理和方法，固体力学和流体力学提供了研究各类耦合动力学特性的专业理论基础。2

从航天器工程角度，航天器动力学可定义为力学学科用于航天器工程的专业学科，它既属于航空宇航科学与技术的基础学科之一的航天动力学学科．又属于多学科交叉的空间飞行器设计学科。其任务是研究航天器从设计、研制、试验、发射到在轨飞行(和返回)全过程的各类动力学问题的建模分析、仿真评估、优化设计和试验验证。因此，2000年提出航天器动力学工程的概念，并出版了科学专著《航天器动力学工程》一书，意在从航天器系统工程角度，重点研究运用工程力学的基本理论和方法，建立航天器各类动力学问题的一般理论模型和工程实用简化模型，探索稳定、收敛和高效的数值算法，并在软件工程规范指导下开发航天器动力学分析、仿真、优化软件系统，以解决航天器各类动力学工程的分析设计问题。2

因此，对于现代复杂的多体柔性充液航天器系统，航天器动力学工程是一门多个学科交叉和综合性很强的工程力学学科，主要和相关学科涵盖一般力学、固体力学、流体力学、轨道动力学、姿态动力学、计算力学、实验力学、控制理论、制导导航与控制、优化理论、计算机应用技术、仿真技术、软件工程和系统工程学等。2

研究内容如前所述，航天器动力学工程的分析发计任务是对航天器设计、研制、试验、发射、飞行(和返回)全过程的各类动力学问题进行建模分析、仿真评估、优化设计和试验验证研究，并在围内外学术理论和方法研究基础上重点进行工程应用研究。具体研究内容可简要概述如下：

(1)部件级柔性结构动力学及其有限元建模分析研究。现代航天器各类大型可展开柔性附件大都是非线性结构系统和多体机构系统，结构有限元建模必须从理论和实验两方面突破非线性环节的有限单元建模技术。因此，研究部件级结构动力学特性是研究全星级结构动力学特性及其各类柔性耦合动力学特性的理论基础和前提条件。另外，从全星安全可靠性设计要求，必须对发射段力学环境进行分析预示研究，以为全星动态载荷设计和试验规范制定提供依据。2

(2)储箱级流体动力学建模分析研究。充液储箱的液体晃动特性不但和飞行过载工况有关，还依赖于储箱的规模、构型、数量、安装布局、液体质量和有关特性。充液储箱流体动力学特性在失重、微重、低重等工况下是极其复杂的，尤其在姿轨控激励下极易发生小幅乃至大幅晃动，严重时会影响全星控制稳定性。因此，必须从理论和试验两方面完成储箱级液体晃动的流体动力学模型、小幅单摆等效力学模型和大幅质心面等效力学模型的建模分析研究，这是研究全星级小幅和大幅晃动耦合动力学特性的基础，并可为燃料输送管理设计提供依据。2

(3)全星级各类耦合动力学分析、仿真与优化研究。复杂航天器在轨运行期间，重点是研究结构振动、液体晃动、多体运动和内外扰动与全星轨姿运动的各类耦合动力学与控制问题。主要包括柔性航天器动力学、充液航天器动力学、航天器多体动力学、环境扰动动力学和星体微振动动力学等以及全星动力学与控制总体仿真、优化设计和试验辨识等理论模型与方法研究，还有其他相关动力学问题以及各类非线性问题及其数值算法研究。应该说明，复杂航天器动力学特性非常依赖于全星规模、整星构型、安装布局、质量分布、材料特性、结构非线性、运动和过载工况以及力学环境和空间环境等，各类耦合动力学模型必须结合具体工程进行建模才具有工程实用性。

(4)航天器各类动力学问题分析、仿真与优化软件系统及其一体化软件包设计开发研究。航天器动力学研究的最终成果产品是开发出各类工程实用的应用软件，包括航天器动力学分析软件、动力学与控制仿真软件、动力学特性优化软件等及其一体化软件包。需要注意和重视的问题：一是加强结构有限元(NASTRAN/PATRAN)、流体动力学(Fluent)、多体动力学(ADAMS)、控制仿真(MATLAB)和CAD(Pro/E)等商品化软件应用开发研究，ADAMS因其通用性太强有时需自行开发专用软件。二是重视各类耦合动力学软件和专用软件的自行开发研究，但对规模庞大、功能齐全和工程化要求高的应用软件，还应重视通过二次开发采用商品化软件作为自行开发应用软件的框架平台(如PATRAN、MATLAB、Pro/E)，以充分利用其强大的建模求解和前后置处理功能。三是做到首先按软件规范完成分析软件系统框架结构和程序流程设计，因此航天器动力学分析软件系统通常由框架平台、应用软件和服务软件三部分构成；然后重点完成应用软件各类功能模块程序开发及其与框架平台和服务软件(前后置)的接口设计开发；最后完成系统软件集成测试与考核验证。2

(5)航天器动力学分析设计的工程应用研究。根据航天器任务和总体、结构、控制与环境等要求，开展航天器各类动力学问题的工程分析计算、总体仿真评估、动力学特性优化、力学环境预示和故障分析与故障对策仿真等，并向总体与结构提供总体设计和结构机构优化所需的动力学参数与力学环境条件，以及向控制系统提供工程实用的航天器两级控制对象耦合动力学模型及其全部系数矩阵和有关力学参数。

(6)航天器动力学试验研究。在航天器各类动力学问题理论建模和分析仿真研究基础上，还要开展地面试验验证研究，主要包括部件级结构振动和储箱级液体晃动试验及其力学参数辨识、多体机构系统展开与撞击及其铰链和组件试验和力学参数辨识、高精度航天器主要微振动扰动部件试验等。还应创造条件开展在轨有关力学试验，以解决大型柔性构件展开构型结构振动和储箱液体晃动在地面试验很难创造精确失重工况的技术难题。2

(7)航天器动力学新理论方法跟踪探索研究∥根据国际发展和国内新型航天器需求，要超前开展航天器动力学与控制学科专业领域的新理论、新方法和新技术跟踪探索和技术攻关预先研究。如未来大型空间结构动力学与控制关键技术研究，包括形状控制和振动抑制技术及其总体、结构和控制一体化动力学优化设计方法探索应用研究等。2

现代航天器动力学主要特征现代大型复杂航天器的动力学特性极其复杂，对全星动力学建模分析及其控制稳定性设计和指向精度要求都提出严峻挑战。其动力学特征可概述如下：

(1)星载各类大型可展开柔性构件使全星呈现为低刚度、大柔性、弱阻尼、低基频和模态密集的非线性柔性结构动力学系统及其展开期间的柔性多体动力学系统和展成在轨构型的柔性耦合动力学系统，因为部件级非线性柔性结构系统的振动特性对全星柔性多体动力学和柔性耦合动力学特性的影响极大，因此必须首先解决部件级非线性柔性结构动力学的有限元理论建模和实验验证问题。2

(2)星载多个大型燃料储箱使全星呈现为多充液腔、大充液量、强偏心扰动和弱流体阻尼的小幅线性乃至大幅非线性的液体晃动动力学系统，因为储箱级充液系统的晃动特性对全星晃动耦合动力学特性影响极大，因此必须首先解决储箱级非线性流体动力学及其等效力学模型的理论建模和晃动试验验证问题。

(3)移动通信等卫星大型天线长时间展开过程和跟踪中继卫星两副天线在轨工作期间，全星呈现为变结构、变构型、变质心和变参数的高维多自由度非线性动力学系统，这种时变非线性对部件级柔性耦合多体动力学和全星级柔性耦合姿态动力学及其两级控制器设计影响极大，必须首先解决针对部件级多体展开每一种工况将全星变构型划分为若干典型构型工况，并采用子结构模态综合法建立每种典型构型工况的结构有限元模型和开展非线性结构环节试验验证。2

(4)因此，航天器在轨长期运行工作期间，全星呈现为柔性结构振动、液体燃料晃动和多体系统运动与全星两级控制刚体运动相互作甩的强耦合动力学系统，在部件级柔性结构振动有限元模型和储箱级液体燃料晃动等效力学模型建模与验证基础上，必须解决全星两级控制对象工程实用的柔性耦合动力学、晃动耦合动力学和多体机构动力学理论建模和模型降阶问题。

(5)星上部件高速转动、大型构件步进驱动和大型柔性构件冷热交变热致运动等微重力力学环境，使全星总是呈现为微振动动力学系统，这对高指向精度和高分辨率航天器正常工作影响较大，必须解决这类高精度航天器微振动扰动的一系列关键技术。2