大型空间结构的自旋展开与控制

以我国未来航天器所需的巨型太阳帆、大型反射天线等空间结构为背景，研究其在空间轨道上自旋展开与稳定所涉及的动力学建模、分析和控制等问题，通过理论分析、数值模拟和地面实验的相互印证和补充，形成一个支持我国发展大型空间结构自旋展开与控制的研究框架，为未来的空间在轨展开实验奠定理论和方法基础。主要研究内容包括：大型空间结构自旋展开的动力学模拟、闭环控制、地面模拟实验。重点解决如下关键问题：在结构自旋展开过程的动力学模拟中，提出高效的多柔体系统动力学计算方法来模拟薄膜的面内外运动和薄膜接触，预测薄膜缠绕的发生和演变；在结构自旋展开过程的动力学控制中，闭环控制结构自旋转速和转动惯量，抑制薄膜的面内外运动幅值，消除可能发生的薄膜缠绕；在结构自旋展开的地面实验中，发展专用图像识别技术来实时测量结构展开位形，预告可能发生的薄膜缠绕并实施闭环控制。

针对我国航天科技未来发展所需要的大型太阳帆自旋展开技术，系统研究空间结构自旋展开所涉及的动力学建模、计算和模拟实验方法，全面完成研究计划。项目的主要研究成果如下：一是提出了基于绝对节点坐标描述的曲梁单元、圆柱壳单元、薄膜单元，推导了这些单元弹性力的高效计算公式；二是采用OpenMP技术的多核架构与稀疏矩阵技术，建立了多柔体系统动力学方程的高效并行求解器；三是基于绝对节点坐标描述，提出了对柔性结构施加控制力矩的简单公式；四是基于上述方法，分析了定轴转动薄板的振动特性，纠正了已有文献的错误；五是基于上述方法，对简化的“IKAROS”太阳帆及六边形太阳帆的自旋展开动力学过程进行了模拟；六是自行研制了基于大型真空舱的太阳帆模型自旋展开实验系统，验证了上述建模与计算方法的正确性。在SCI收录的著名期刊上发表论文7篇，在EI收录的国内核心期刊上发表论文2篇，应邀在国际会议做大会特邀报告4次，在相关研究领域产生了重要学术影响。