航天器動力學

自從前蘇聯1957年10月4日發射世界上第一個航天器-“人造地球衞星一號”以來,航天器經歷了由簡單到複雜、由低級到 高級的發展歷程.相應地，在各個不同發展階段，航天器動力學也呈現出不同的特點.

在空間探測初期，航天器規模較小、結構緊湊、構造簡單，而且對航天器控制性能要求不高，因此在動力學研究中把它當作剛體 來處理，並且可以得到滿意的結果.但是也有例外，最典型的例子 是1958年美國發射的第一顆人造地球衞星“探險者一號”。該衞 星入軌後採用自旋穩定，由於懸在星體外面的四根鞭狀天線的彈 性振動，造成系統的內能耗散，最後導致衞星姿態失穩而翻滾.在 這之後，陸續有些衞星因為非剛性運動的影響而導致姿態控制性 能下降或失穩。 ^[1] 

後來人們意識到，既然問題出在衞星內部活動部件的運動，就 應該放棄理想剛體的假設，代之以準剛體模型.準剛體模型是指 在考慮運動學問題時把星體視為剛體，而在考慮動力學問題時又 要計入星體非剛性運動所引起的內能耗散.準剛體模型相當準確 地描述了早期衞星的動力學特性，並進一步給出了自旋衞星、雙自 旋衞星的合理的穩定性判據. ^[1] 

60年代中期對重力梯度穩定衞星可伸展薄壁杆在日光照射 下的熱彈性振動的研究，以及對帶撓性天線的自旋衞星的穩定分 析表明:撓性振動不只是姿態控制的干擾，而且是受控對象的一部分。多剛體系統和充液剛體系統動力學也受到重視.到70年代 末，以剛體為主體的航天器的姿態動力學問題已基本得到解決。 ^[1] 

從航天器設計學科角度，航天器動力學與控制是該科學的一個重要學科專業方向，主要研究航天器在軌運行過程中的各類動力學與控制問題，即研究航天器部件級和全星級作為兩級控制對象的各類動力學模型及其耦合動力學特性，以為兩級控制系統設計仿真提供工程實用的降階動力學模型及其有關力學參數的係數矩陣。顯然，研究現代複雜航天器的各類耦合動力學特性，一般力學(矢量力學和分析力學)提供了航天器動力學模型的建模原理和方法，固體力學和流體力學提供了研究各類耦合動力學特性的專業理論基礎。 ^[2] 

從航天器工程角度，航天器動力學可定義為力學學科用於航天器工程的專業學科，它既屬於航空宇航科學與技術的基礎學科之一的航天動力學學科．又屬於多學科交叉的空間飛行器設計學科。其任務是研究航天器從設計、研製、試驗、發射到在軌飛行(和返回)全過程的各類動力學問題的建模分析、仿真評估、優化設計和試驗驗證。因此，2000年提出航天器動力學工程的概念，並出版了科學專著《航天器動力學工程》一書，意在從航天器系統工程角度，重點研究運用工程力學的基本理論和方法，建立航天器各類動力學問題的一般理論模型和工程實用簡化模型，探索穩定、收斂和高效的數值算法，並在軟件工程規範指導下開發航天器動力學分析、仿真、優化軟件系統，以解決航天器各類動力學工程的分析設計問題。 ^[2] 

因此，對於現代複雜的多體柔性充液航天器系統，航天器動力學工程是一門多個學科交叉和綜合性很強的工程力學學科，主要和相關學科涵蓋一般力學、固體力學、流體力學、軌道動力學、姿態動力學、計算力學、實驗力學、控制理論、制導導航與控制、優化理論、計算機應用技術、仿真技術、軟件工程和系統工程學等。 ^[2] 

如前所述，航天器動力學工程的分析發計任務是對航天器設計、研製、試驗、發射、飛行(和返回)全過程的各類動力學問題進行建模分析、仿真評估、優化設計和試驗驗證研究，並在圍內外學術理論和方法研究基礎上重點進行工程應用研究。具體研究內容可簡要概述如下：

(1)部件級柔性結構動力學及其有限元建模分析研究。現代航天器各類大型可展開柔性附件大都是非線性結構系統和多體機構系統，結構有限元建模必須從理論和實驗兩方面突破非線性環節的有限單元建模技術。因此，研究部件級結構動力學特性是研究全星級結構動力學特性及其各類柔性耦合動力學特性的理論基礎和前提條件。另外，從全星安全可靠性設計要求，必須對發射段力學環境進行分析預示研究，以為全星動態載荷設計和試驗規範制定提供依據。 ^[2] 

(2)儲箱級流體動力學建模分析研究。充液儲箱的液體晃動特性不但和飛行過載工況有關，還依賴於儲箱的規模、構型、數量、安裝佈局、液體質量和有關特性。充液儲箱流體動力學特性在失重、微重、低重等工況下是極其複雜的，尤其在姿軌控激勵下極易發生小幅乃至大幅晃動，嚴重時會影響全星控制穩定性。因此，必須從理論和試驗兩方面完成儲箱級液體晃動的流體動力學模型、小幅單擺等效力學模型和大幅質心面等效力學模型的建模分析研究，這是研究全星級小幅和大幅晃動耦合動力學特性的基礎，並可為燃料輸送管理設計提供依據。 ^[2] 

(3)全星級各類耦合動力學分析、仿真與優化研究。複雜航天器在軌運行期間，重點是研究結構振動、液體晃動、多體運動和內外擾動與全星軌姿運動的各類耦合動力學與控制問題。主要包括柔性航天器動力學、充液航天器動力學、航天器多體動力學、環境擾動動力學和星體微振動動力學等以及全星動力學與控制總體仿真、優化設計和試驗辨識等理論模型與方法研究，還有其他相關動力學問題以及各類非線性問題及其數值算法研究。應該説明，複雜航天器動力學特性非常依賴於全星規模、整星構型、安裝佈局、質量分佈、材料特性、結構非線性、運動和過載工況以及力學環境和空間環境等，各類耦合動力學模型必須結合具體工程進行建模才具有工程實用性。

(4)航天器各類動力學問題分析、仿真與優化軟件系統及其一體化軟件包設計開發研究。航天器動力學研究的最終成果產品是開發出各類工程實用的應用軟件，包括航天器動力學分析軟件、動力學與控制仿真軟件、動力學特性優化軟件等及其一體化軟件包。需要注意和重視的問題：一是加強結構有限元(NASTRAN/PATRAN)、流體動力學(Fluent)、多體動力學(ADAMS)、控制仿真(MATLAB)和CAD(Pro/E)等商品化軟件應用開發研究，ADAMS因其通用性太強有時需自行開發專用軟件。二是重視各類耦合動力學軟件和專用軟件的自行開發研究，但對規模龐大、功能齊全和工程化要求高的應用軟件，還應重視通過二次開發採用商品化軟件作為自行開發應用軟件的框架平台(如PATRAN、MATLAB、Pro/E)，以充分利用其強大的建模求解和前後置處理功能。三是做到首先按軟件規範完成分析軟件系統框架結構和程序流程設計，因此航天器動力學分析軟件系統通常由框架平台、應用軟件和服務軟件三部分構成；然後重點完成應用軟件各類功能模塊程序開發及其與框架平台和服務軟件(前後置)的接口設計開發；最後完成系統軟件集成測試與考核驗證。 ^[2] 

(5)航天器動力學分析設計的工程應用研究。根據航天器任務和總體、結構、控制與環境等要求，開展航天器各類動力學問題的工程分析計算、總體仿真評估、動力學特性優化、力學環境預示和故障分析與故障對策仿真等，並向總體與結構提供總體設計和結構機構優化所需的動力學參數與力學環境條件，以及向控制系統提供工程實用的航天器兩級控制對象耦合動力學模型及其全部係數矩陣和有關力學參數。

(6)航天器動力學試驗研究。在航天器各類動力學問題理論建模和分析仿真研究基礎上，還要開展地面試驗驗證研究，主要包括部件級結構振動和儲箱級液體晃動試驗及其力學參數辨識、多體機構系統展開與撞擊及其鉸鏈和組件試驗和力學參數辨識、高精度航天器主要微振動擾動部件試驗等。還應創造條件開展在軌有關力學試驗，以解決大型柔性構件展開構型結構振動和儲箱液體晃動在地面試驗很難創造精確失重工況的技術難題。 ^[2] 

(7)航天器動力學新理論方法跟蹤探索研究∥根據國際發展和國內新型航天器需求，要超前開展航天器動力學與控制學科專業領域的新理論、新方法和新技術跟蹤探索和技術攻關預先研究。如未來大型空間結構動力學與控制關鍵技術研究，包括形狀控制和振動抑制技術及其總體、結構和控制一體化動力學優化設計方法探索應用研究等。 ^[2] 

現代大型複雜航天器的動力學特性極其複雜，對全星動力學建模分析及其控制穩定性設計和指向精度要求都提出嚴峻挑戰。其動力學特徵可概述如下：

(1)星載各類大型可展開柔性構件使全星呈現為低剛度、大柔性、弱阻尼、低基頻和模態密集的非線性柔性結構動力學系統及其展開期間的柔性多體動力學系統和展成在軌構型的柔性耦合動力學系統，因為部件級非線性柔性結構系統的振動特性對全星柔性多體動力學和柔性耦合動力學特性的影響極大，因此必須首先解決部件級非線性柔性結構動力學的有限元理論建模和實驗驗證問題。 ^[2] 

(2)星載多個大型燃料儲箱使全星呈現為多充液腔、大充液量、強偏心擾動和弱流體阻尼的小幅線性乃至大幅非線性的液體晃動動力學系統，因為儲箱級充液系統的晃動特性對全星晃動耦合動力學特性影響極大，因此必須首先解決儲箱級非線性流體動力學及其等效力學模型的理論建模和晃動試驗驗證問題。

(3)移動通信等衞星大型天線長時間展開過程和跟蹤中繼衞星兩副天線在軌工作期間，全星呈現為變結構、變構型、變質心和變參數的高維多自由度非線性動力學系統，這種時變非線性對部件級柔性耦合多體動力學和全星級柔性耦合姿態動力學及其兩級控制器設計影響極大，必須首先解決針對部件級多體展開每一種工況將全星變構型劃分為若干典型構型工況，並採用子結構模態綜合法建立每種典型構型工況的結構有限元模型和開展非線性結構環節試驗驗證。 ^[2] 

(4)因此，航天器在軌長期運行工作期間，全星呈現為柔性結構振動、液體燃料晃動和多體系統運動與全星兩級控制剛體運動相互作甩的強耦合動力學系統，在部件級柔性結構振動有限元模型和儲箱級液體燃料晃動等效力學模型建模與驗證基礎上，必須解決全星兩級控制對象工程實用的柔性耦合動力學、晃動耦合動力學和多體機構動力學理論建模和模型降階問題。

(5)星上部件高速轉動、大型構件步進驅動和大型柔性構件冷熱交變熱致運動等微重力力學環境，使全星總是呈現為微振動動力學系統，這對高指向精度和高分辨率航天器正常工作影響較大，必須解決這類高精度航天器微振動擾動的一系列關鍵技術。 ^[2]