高轨机动卫星液体晃动精细建模及刚液耦合非线性效应分析

未来的高轨、高控制精度的卫星将具备姿态快速机动能力，此时卫星液体燃料的晃动及其与姿态运动的耦合将成为影响卫星姿态控制精度的重要因素。在传统的分析中，人们主要关注低重环境下（重力主导）卫星姿态小幅运动（小幅晃动）的液体晃动问题，对于高轨卫星而言，液体燃料的晃动涉及到表面张力效应、姿态快速机动下液体的非线性晃动及其耦合效应等方面的问题，目前研究尚未取得全面系统的成果。本项目拟采用理论分析、数值计算与实验相结合的方法，系统研究表面张力、姿态快速机动影响下的液体的非线性晃动及其耦合效应问题。建立姿态机动下含表面张力影响的液体晃动模型，深入分析液体晃动的机理，建立适用于控制系统设计的高精度等效力学模型，开展液体晃动与姿态快速机动的耦合非线性现象分析，并通过数值实验和原理性地面试验对上述研究结果进行验证。课题的研究结果将丰富充液系统动力学研究，也可直接为我国在研的某重大型号服务。

现代航天器通常携带大量的液体燃料，液体晃动会影响航天器的姿态稳定性和控制精度，因此需要对晃动行为进行精确建模。尤其对于高轨、高控制精度的卫星来说，液体燃料的晃动及其与姿态运动的耦合作用将成为影响充液卫星姿态控制精度的重要因素。由于航天器处于典型的微重环境，液体晃动的建模和刚液耦合仿真中必须考虑表面张力的影响，传统的建模方法往往不再适用。因此，该项研究针对高轨充液卫星，分析了充液航天器内的液体燃料在微重和零重环境下的非线性行为，对液体晃动进行了精细建模，考查了姿态快速机动下液体的大幅晃动行为并对刚液耦合非线性效应进行了分析。在研究中深入分析了微重和零重力下液体晃动的机理，针对不同的激励环境建立相应的高精度液体晃动等效力学模型，并基于等效力学模型建立了系统的姿态动力学方程。通过与数值仿真和实验结果进行对比，验证了建模方法的有效性和等效力学模型的准确性。具体来说，该研究包含了以下几项内容：1) 微重环境下液体晃动中的表面张力作用效果分析；2) 建立考虑表面张力作用的微重力液体小幅晃动高精度等效力学模型，并基于该等效力学模型建立系统的姿态动力学方程，研究刚液耦合效应；3) 分析大幅平动和转动激励下液体的晃动特性，建立高精度等效力学模型对非线性液体晃动行为进行描述，并研究非线性刚液耦合效应；4) 考虑表面张力效应，对微重和零重环境下液体行为进行分析，建立姿态快速机动下液体晃动的等效力学模型；5) 利用实验方法研究外部动力学环境对贮箱内液体晃动规律的影响。本研究采用了理论分析、数值计算与实验相结合的方法，系统地研究了表面张力对液体晃动行为以及卫星姿态动力学的影响，丰富了充液系统动力学研究，填补了航天工程应用中的多项空白，已应用于高分卫星、嫦娥二号、嫦娥五号登月航天器、东方红五号卫星平台等多个型号的研制中。