卫星太阳翼空间在轨飞行中的变形分析

论文摘要

随着航天事业的发展,现代卫星承担的任务越来越多,规模逐渐增大,因而对能源的需求也越来越大。为了满足不断增长的能量需求,卫星太阳翼不可避免地趋向大型化。另一方面,由于发射条件的限制和经济成本的考虑,要求卫星质量应尽可能的轻,这使得太阳翼不得不采用超轻超薄的柔性材料来制造。这两方面相互矛盾,使得太阳翼成为典型的大挠性空间结构,具有跨度大、质量轻和刚度低等结构特点,表现出频率低、阻尼弱和模态密集等动力学特性。这些特性对卫星的稳定性设计和高精度要求提出了严重挑战,极可能会对卫星的安全造成威胁。由于卫星处于在空气阻尼几乎不存在的太空中,任何一个干扰,如流星雨、太阳风及卫星轨道机动和姿态调整等,都将引起太阳翼产生激烈持续的大幅度振动。因而很有必要对太阳翼的弹性振动进行有效的抑制。然而,要对其成功实施控制措施,首先必须掌握清楚太阳翼的动力学特征,详细分析太阳翼的变形行为,因为这是控制方法和手段得以实现的基本前提。因此,本文开展了卫星太阳翼空间在轨飞行中的变形分析的研究。研究内容主要包括以下几个方面:(1)以两侧带有挠性太阳翼的箱式结构卫星为研究对象,通过各种参考坐标系的合理选取与定义,并根据卫星飞行的真实空间环境特征及卫星自身的结构特点,对卫星中心星体和太阳翼分别做了详细的载荷分析;(2)针对低轨道飞行的卫星,在载荷分析的基础上建立了卫星的运动方程和太阳翼的静力学方程。通过选取适当的卫星轨道参数、姿态参数和结构参数(包括质量参数、几何参数和材料参数),建立了合适的仿真模型。经MATLAB数值仿真,得到了一个轨道周期中卫星的轨道和姿态变化曲线以及太阳翼的静变形曲线。仿真结果表明:卫星正常飞行状态时太阳翼的静变形较小,而轨道和姿态机动时太阳翼的静变形较大。(3)采用了两种不同的模型对太阳翼进行了动力学分析,利用有限元法建立了太阳翼的动力学方程。一种是中间带有集中质量块的自由直梁模型;另一种是自由曲梁模型。由于载荷的作用使得太阳翼发生了静变形,因此太阳翼的弹性振动为静变形基础上的动变形,此时相当于曲梁振动的情形。编写了相应的MATLAB程序对两种模型下太阳翼振动的自然频率进行仿真。论文提出了基于静平衡位置变化的弹性振动描述方法,适用于卫星太阳翼这类柔性结构;并对曲梁这种特殊复杂结构进行了振动分析,曲梁模型较好地反应了太阳翼空间在轨飞行中的动力学变形。本文的研究为卫星发生快速轨道转移和大角度姿态机动等大范围运动时卫星柔性附件的振动控制系统设计奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 太阳翼的发展历程
• 1.1.2 太阳翼的动力学问题
• 1.2 国内外研究进展
• 1.3 研究内容及结构安排
• 第二章 相关问题描述及研究模型
• 2.1 卫星的姿轨描述
• 2.1.1 轨道描述
• 2.1.2 姿态描述
• 2.2 太阳翼的变形描述
• 2.2.1 描述变形的两种方式
• 2.2.2 变形运动的描述模型
• 2.2.3 基于静平衡位置变化的描述方法
• 2.3 研究对象及其模型
• 2.3.1 物理模型
• 2.3.2 理论模型
• 2.3.3 简化模型
• 2.4 小结
• 第三章 载荷分析
• 3.1 坐标系描述
• 3.1.1 坐标系的选取与定义
• 3.1.2 坐标系之间的关系
• 3.2 作用在星体上的载荷
• 3.2.1 主动力
• 3.2.2 摄动力
• 3.3 作用在太阳翼上的载荷
• 3.3.1 重力
• 3.3.2 牵连惯性力
• 3.3.3 气动力
• 3.3.4 光压力
• 3.3.5 温差应力
• 3.4 小结
• 第四章 卫星太阳翼的静变形分析
• 4.1 太阳翼的静力学模型
• 4.1.1 基本假设
• 4.1.2 卫星的运动方程
• 4.1.3 太阳翼的运动方程
• 4.2 仿真任务设计
• 4.2.1 程序的总体结构
• 4.2.2 仿真子结构模块图
• 4.2.3 仿真流程
• 4.3 仿真计算与结果分析
• 4.3.1 卫星的轨道分析
• 4.3.2 卫星的姿态分析
• 4.3.3 太阳翼的静变形分析
• 第五章 卫星太阳翼的动变形分析
• 5.1 太阳翼的动力学模型
• 5.1.1 直梁模型的有限元动力学方程
• 5.1.2 曲梁模型的有限元动力学方程
• 5.2 仿真计算与结果分析
• 5.2.1 直梁模型的仿真分析
• 5.2.2 曲梁模型的仿真分析
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果
• 附录 日月位置的近似计算