考虑几何非线性的复杂机构结构太阳帆刚柔耦合动力学与姿态振动一体化控制研究

Solar sail has been one of the hotspots in the field of aerospace which makes use of sunlight as the propulsion thrust from the aspects of theory and engineering. Solar sail equipped with control vanes, control boom and sliding mass has the features of complex mechanisms and structures and supporting beams geometric nonlinearity. First, the principle of virtual work and strategy of finite element are used to model the supporting beams, the Newton-iterative algorithm was used to solve the equations, and principle of the modifying thrust models is given. Secondly, the vibration equations are established by using Lagrange equation method, the Newmark-β and Newton-iterative algorithm are used to solve these equations, and the vibration features, vibration equations for controller design and dynamical simulations are given. Thirdly, the attitude dynamical equations are established by using Lagrange equation method, the dynamical features, the attitude dynamical equations for controller design and dynamical simulations are given. At last, based on some space mission, the attitude/vibration integrated control is given by proposing a online reconfigurable intelligent control allocation algorithm based on multiple heterogeneous implementation mechanisms. The project will deal with the most basic and key issues for solar sail task applications that are the thrust model modifying, complex dynamics and control. They will provide theoretical and technical supporting, having important academic and practical values.

太阳帆这类以光压为动力的新型航天器在理论与工程研究方面均已成为航天界研究热点之一。本项目以带有控制叶片、控制杆和滑动质量块的太阳帆为研究对象，针对其机构结构复杂、主体承力支撑杆具有几何非线性等特点。首先，使用虚功原理及有限元策略对支撑杆进行静力学建模，使用牛顿迭代进行求解，据此给出推力模型修正原理；其次，使用拉格朗日方程方法建立支撑杆振动方程，使用纽马克-贝塔和牛顿迭代进行求解，据此分析其振动特性并给出控制与仿真之用的振动方程；再次，使用拉格朗日方程方法建立太阳帆姿态动力学方程，据此分析其姿态动力学特性并给出控制与仿真之用的姿态动力学方程；最后，以某一空间任务为背景，提出一种多异类执行机构在线可重构智能控制分配方法，对太阳帆进行姿态振动一体化控制。本项目将解决太阳帆任务应用最基础和关键问题- - 推力模型修正、复杂动力学与控制等问题，为太阳帆在轨运行提供理论和技术支撑，具有重要的学术和实用价值

太阳帆是目前为止唯一不消耗推进工质而进行飞行控制的航天器，因而在太空中的寿命不受有限燃料约束，而且能够节约任务成本。基于光压所提供的长期持续加速，太阳帆甚至可以93km/s的速度航行，这比当前最快的化学燃料火箭推进的航天器快4-6倍。凭借以上推进优势，太阳帆可较易飞至外太阳系进行太阳风层顶和日光层接触面实地科学探测，这将对地球长期受来自外太阳系宇宙射线辐射的影响等问题进行解答。. 项目主要研究了：考虑几何非线性的太阳帆支撑杆静力学分析与推力模型修正，使得太阳帆原理得以进一步完善；考虑几何非线性及复杂载荷作用下的太阳帆支撑杆振动分析，作为非线性动力学研究的基本模型；多异类执行机构作用下挠性太阳帆姿态动力学建模及分析，以作为姿态控制的研究基础；基于多异类执行机构的太阳帆刚柔耦合动力学及姿态振动一体化控制，为太阳帆的工程化实现作更多的准备。. 项目重要结果有：完成了几何非线性结构的有限元仿真，为太阳帆非线性建模提供了数据支持；完成了几何非线性结构的解析建模与仿真，为太阳帆控制机构提供了模型基础；提出了张量坐标的概念，并对基于张量坐标的建模方法进行了初步研究，为太阳帆以及其他航天器的快速建模提供了帮助；完成了多异类控制机构的建模，作为控制机构分析的模型基础；实现了姿轨一体化控制分配与仿真，并开发了视景仿真的系统。. 本项目具有重要的科学意义，为太阳帆航天器研究从非线性柔性建模角度推进了一大步。所建模型可精确的描述太阳帆的刚柔耦合动力学特性，不但可确定帆面挠曲形状，更可广泛的将建模与求解等分析策略应用于空间超长轻柔结构的力学建模与分析中，可作为太阳帆航天器控制与仿真的基础。. 总之，随着太阳帆相关技术的成熟，可想象太阳帆将与卫星一样成为最主要的空间飞行器。而作为太阳帆推进理论的基础，对考虑支撑杆几何非线性、复杂机构结构的多柔体太阳帆进行刚柔耦合动力学建模与基于多异类执行机构的相关问题进行研究是具有前瞻性的，符合航天理论与技术的发展趋势。