柔性航天器动力学建模及模型降阶研究

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1、第28卷第6期计算机仿真2011年6月文章编号：1006—9348(2011)06—0080—04柔性航天器动力学建模及模型降阶研究余舜京1，丰志伟2，张青斌2(1．上海微小卫星工程中心，上海200050；2．国防科学技术大学航天与材料工程学院，湖南长沙410073)摘要：针对柔性航天器振动影响飞行器姿态稳定性和精度。为了解决上述问题，提出了多柔体航天器的动力学建模。首先，根据工程实现的假设振型法，采用拟坐标拉格朗日方程，推导出带有刚体模态的二阶系统刚柔耦合动力学模型，其中，为了减少模型计算量，通过坐标变换将刚体模态和柔性模态解耦，利用

2、一种刚体模态解耦的二阶不稳定系统的模型降阶方法，并对航天器多柔体系统动力学方程进行了仿真分析，结果飞行姿态稳定，满足了精度要求，表明了动力学建模与模型降阶法的有效性和正确性。关键词：多柔体动力学；航天器动力学建模；模型降阶中图分类号：0313．7文献标识码：AResearchonDynamicsModelingandModelReductionofFlexibleSpacecraftYUShun—jin91，FENGZhi—wel一，ZHANGQing—bin2(1．ShanghaiEngineeringCenterforMicrosa

3、tellites，Shanghai200050，China；2．CollegeofAerospaceandMaterialEngineering，NUDT，ChangshaHunan410073，China)ABSTRACT：Thedynamicsmodelingandmodelreductionofflexiblemuhibodyspacecraftareconcerned．Firstly，themotionequationandlineayizationequationofmuhibodysystemarederivedbasedo

4、nLagrangianapproachintermsofquasi—coordinatesbasedonassumingmodemethod．Then，inordertodecreasecomputation，anovelmodelre—ductionofunstablesecondordersystemsisdevelopedwithrespecttotheequationsofflexiblespacecraft，whichisbasedondecoupleofrigidandflexiblebodymode．Finally，the

5、rigid—flexiblecouplepropertyandtheprecisionofmodelreductionaYeinvestigated．Thesimulationresultsdemonstratethatthesuggestedapproachisvalidandefficientcompared诵tllothermodelreduction．KEYWoRDS：Flexiblemultibodydynamics；Spacecraftdynamicsmodeling；Modelreduction1引言现代航天器的规模越来越

6、大，构型也越来越复杂。为了降低总体质量，通常采用低刚度、轻质量的柔性结构。柔性结构振动不仅影响航天器的姿态指向精度和稳定性，而且有时可能导致航天任务的失败。因此，柔性航天器的动力学分析和控制系统设计必须考虑柔性结构振动的耦合动力学特性影响。多柔体动力学的研究开始于上世纪70年代初。L．Mei．revitch【11将其伪坐标形式的拉格朗日方程应用到挠性系统动力学建模中，研究了柔性天线重新定向中刚性平台的动力收稿Et期：2010一04—20修回日期：2010—06—11—80一学和控制问题。BongWie等人口1研究了大型柔性航天器姿态机动

7、的鲁棒控制问题，提出了基于脉冲输入的最优控制策略。AmnK．Banerjee等人口。研究了柔性卫星的建模及输入形状控制问题。国内自上世纪90年代起缪炳祺，曲广吉等人H“o应用伪坐标Lagrange方程对柔性航天器混合坐标建模进行了较深入的研究。利用混合坐标法等方法建立的柔性航天器动力学模型，通常具有比较高的阶数，这对航天器控制系统的设计提出了严峻的考验。因此，降低航天器动力学模型的阶数，是航天器动力学分析和控制系统设计的重要组成部分o“。针对柔性航天器模型降阶问题，Skehon提出了模态价值分析(ModelCostAnalysis，MC

8、A)方法哺j。1981年Moor提出了一阶系统的内平衡降阶法p3(First—orderBalancedTruncation，FOBT)；Gawronski¨叫等人提出了大型柔性空间结构的近似平衡系统及模型