太阳帆航天器动力学建模与求解

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1、第31卷2010芷第8期8月航空学报ACTAAERONAUTICAETASTRONAUTICASINlCAVoI．31No．8Aug．2010文章编号：1000—6893(2010)08—1565—07太阳帆航天器动力学建模与求解崔乃刚，刘家夫，荣思远(哈尔滨工业大学航天学院，黑龙江哈尔滨150001)SolarSailSpacecraftDynamicModelingandSolvingCuiNaigang，LiuJiafu，RongSiyuan(SchoolofAstronautics，HarbinInstituteofTec

2、hnology，Harbin150001。China)摘要：太阳帆航天器动力学建模与求解是姿态控制与结构振动抑制的基础，具有重要的理论与工程意义。针对带有控制杆和控制叶片的太阳帆航天器，进行结构的合理简化。应用矢量力学基本原理，推导出考虑弹性振动的太阳帆航天器姿态动力学方程，再对其进行简化，分别得到基于控制叶片和控制杆的两类太阳帆航天器的姿态动力学方程，联立太阳帆支撑杆振动方程。结合非约束模态的定义对运行于超地球同步转移轨道的太阳帆航天器动力学方程进行了求解及分析，结果表明所建立的太阳帆动力学模型可准确地描述柔性太阳帆航天器的动力

3、学特性。关键词：航天器；太阳帆；控制杆；控制叶片；非约束模态；动力学求解中图分类号：V423．9文献标识码：AAbstract：Solarsailspacecraftdynamicmodelingandsolvingarethebasisofattitudecontrolandstructuralvi—brationsuppression，andtheyareofimportanttheoreticalandengineeringsignificance．Thisarticlemakesareasonablesimplificat

4、ionofthestructureofasolarsailspacecraftwithacontrolboomandcontrolvanes，andappliesthebasicprinciplesofvectormechanicstOdeducetheattitudedynamicformulationsofthesolarsailspacecraftwhichtakesintoconsiderationitsflexiblevibration，andthensimplifiesthem，thusobtainingrespec—

5、tivelytheattitudedynamicformulationsofthetWOtypesofsolarsailspacecraft，thosewithcontrolvanes，andthosewithcontrolbooms．Bycombiningthemwiththevibrationformulationsofsolarsailsupportbeamsandincorporatingthedefinitionsofunconstrainedmodes，thearticlesucceedsinsolvingandana

6、lyzingthedynamicformulationsofsolarsailspacecraftonearthsupePsynchronoustransferorbit．TheresultindicatesthattheSO—larsaildynamicmodelspresentedinthisarticlecantrulydescribeflexiblesolarsailspacecraftdynamicalchar—acteristics．Keywords：spacecraft；solarsail；controlboom；c

7、ontrolvane；unconstrainedmode；dynamicssovling太阳帆航天器是～种以太阳光压为动力的新型航天器【1]，其在轨运行时无需携带大量的燃料，因而近些年来成为航天领域内的研究热点之一。在轨运行的太阳帆尺寸巨大、转动惯量很大，且执行任务飞行时间长、干扰力矩多，传统姿态控制方法已不适用于太阳帆的姿态控制，国内外研究者提出了多种针对太阳帆的新型姿态控制技术。改变太阳帆质心／压心相对位置(通过调节带有万向节的控制杆实现)、加之采用位于4个支撑杆顶端的控制叶片可进行太阳帆姿态控制，B．Wie对采用这种姿态控制

8、机构的太阳帆进行三轴姿态动力学建模，模型中转动惯量的大小和控制叶片的相对矢量都是万向节转角的函数口‘4]。收稿日期：2009—09—01；修订日期：2009—09—28基金项目：国家自然科学基金(10772057)通讯作者：崔乃刚E—mail：Cu