太阳帆航天器刚柔耦合动力学建模和姿态轨道耦合控制研究

太阳帆航天器是一种在深空探测和星际航行等领域极具潜力的新型航天器，它以太阳光压为动力，姿态动力学和轨道动力学相互耦合，其大尺度支撑杆和大面积薄膜帆面等结构使之具有显著的柔性特征。本项目旨在研究具有刚柔耦合特征的太阳帆航天器动力学模型和姿态－轨道耦合控制策略。基于有限元分析方法和多柔体动力学理论，通过机理分析和计算仿真，充分研究其大尺度支撑杆和薄膜帆面在光压作用下形变规律，以及与姿态动力学的耦合关系和交互作用，建立结构－姿态－轨道相互耦合的动力学模型；分析复杂空间环境等对模型参数和动力学特性的摄动，研究具有鲁棒性和自适应能力的控制策略，解决太阳帆航天器姿态轨道耦合控制系统稳定性、可靠性等关键问题；在考虑其结构－姿态－轨道相互耦合的基础上，提出相应的轨道优化准则和优化算法对太阳帆航天器的飞行轨迹进行全局优化设计，从而推进太阳帆航天器姿轨控制技术向实用化发展。

太阳帆航天器是一种在深空探测和星际航行等领域极具潜力的新型航天器，它以太阳光压为动力，具有柔性特征明显的大面积薄膜帆面，其姿态动力学和轨道动力学之间相互耦合。本项目研究了太阳帆航天器结构-姿态-轨道的特征。首先建立了太阳帆航天器刚柔耦合线性姿态动力学模型，并设计了H∞控制器，同时实现了目标姿态角跟踪与柔性结构的振动抑制。接着进一步分析复杂空间环境等对模型参数和动力学特性的摄动，建立了能反映太阳帆本质特征的非线性刚柔耦合动力学模型，在此基础上分别对其进行反馈LPV化控制和抗饱和控制，实现了目标姿态角的渐近跟踪和柔性结构的振动抑制。分别利用粒子群算法、改进帝国竞争算法和改进宇宙扩缩优化算法等方法，实现了太阳帆航天器在不同轨道间的轨迹优化问题，并深入分析了太阳帆航天器姿态轨道的耦合关系，研究了其稳定性条件和太阳帆航天器的一类特殊轨道（非开普勒轨道）的性质。至此，已经全部完成项目计划内容。此外，在研究期间，日本宇航局于2010年5月在世界上首次成功发射并展开了“IKAROS”号太阳帆。“IKAROS”是旋转式太阳帆，不具有支撑结构，帆面为大型薄膜结构且具有显著的柔性特征。它通过自旋提供离心力保持帆面平整，在自旋过程中，柔性帆面会发生振动，若不加以抑制，帆面振动将会导致太阳帆航天器的章动效应，对太阳帆姿态控制及顺利航行产生不利影响。考虑到分数阶方程比整数阶更能精确恰当地描述太阳帆等柔性特征很强的系统，项目组增加了对分数阶系统理论、建模和控制方法的研究。尝试利用分数阶方程对太阳帆进行建模，以及对太阳帆模型进行分数阶控制。此外，分析了旋转太阳帆航天器姿态控制与薄膜振动的耦合关系和交互作用，建立了结构-姿态-轨道耦合的动力学模型，从而推进太阳帆航天器的研究向实用化发展。