柔性太阳帆轨道-姿态-弹性振动耦合效应研究.pdf

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1、第32卷2015年第2期上海航天AEROSPACESHANGHAI文章编号：1006—1630(2015)02—0001—07柔性太阳帆轨道一姿态一弹性振动耦合效应研究张瑾，翟坤，王天舒(清华大学航天航空学院，北京100084)摘要：建立了柔性太阳帆轨道、姿态、弹性振动耦合的动力学降阶模型。分析该模型在地心大偏心率椭圆轨道的动力学表明：太阳光压力是太阳帆轨道产生偏差的主要原因，且太阳光压力会引起太阳帆姿态的剧烈变化和柔性结构的大幅振动，同时太阳帆的结构振动会对其姿态造成累积偏差。研究发现，太阳帆在空闯的运行是一个轨道、姿态、弹性振动三方面强烈耦合的复杂问题。关键词：

2、柔性太阳帆；轨道；姿态；弹性振动；耦合效应中图分类号：V412．4文献标志码：ACouplingEffectofOrbit，AttitudeandElasticVibrationforFlexibleSolarSailZHANGJin，ZHAIKun。WANGTian-shu(SchoolofAerospace，TsinghuaUniversity，Beijing100084，China)Abstract：Thereduceddynamicmodelforaflexiblesolarsailwithforeshorteningdeformationandcoupli

3、ngofitsattitudeandvibrationwasestablishedinthispaper．Withthedynamicanalysisintheearthellipseorbit，itwasdemonstratedthatthesunpressurewasthemajorreasonfortheorbitdeviationandlargevibrationoftheflexiblestructure．Thestructuralvibrationofthesolarsailwould1eadtOthedeviationoftheattitude．The

4、longtermmissionofsolarsailinthespacewasacomplexproblemwiththecouplingeffectoforbit，attitudeandvibration，anditwasnecessarytoresearchthecouplingeffectofsolarsail．Keywords：Flexiblesolarsail；Orbit；Attitude；Elasticvibration；Coupledeffect0引言太阳帆航天器是一种新型的深空探测航天器，依靠太阳光压力产生推力。太阳帆航天器自身元需携带大量的燃料用于

5、任务，但为在微弱的光压力下获得最大推力，太阳帆有巨大的帆面及很轻的结构质量，这决定了太阳帆具大转动惯量及大挠性结构[1]。一般大挠性结构有刚度低、阻尼弱、频率低和模态密集等动力学特性，即具强非线性，这为其精确动力学模型的建立带来了困难口]。同时在大挠性结构产生运动时，结构的振动对整体结构的动力学特性与控制的影响不可忽略日j。因太阳帆利用太阳光压力产生推进力，为大尺收稿日期：2013—05—19；修回日期：2013—07—01基金项目：国家自然科学基金(10832004，11272004)作者简介：张瑾(1985～)，女，博士生，主要从事航天器动力学与控制研究。度、大

6、挠性结构，故太阳帆是典型的姿态、轨道、振动耦合问题。目前对太阳帆的研究主要集中于太阳帆的轨道设计、姿态控制和精确受力模型三方面。在太阳帆传统的轨道设计及姿态控制中，常忽略了太阳帆的实际结构，即忽略太阳帆挠性结构的变形及振动，将太阳帆作为质点或刚体进行受力分析，并通过对姿态角的改变而调节推力的大小，从而实现对轨道的控制[4_5]。对太阳帆及类似地有挠性附件航天器来说，其弹性振动的处理方法有两种：一是将航天器结构的振动简化为影响力矩引入轨道姿态方程，二是用支撑杆的模态替代整体模态进行姿态振动耦合分析邙‘9]。这两种方法都可得到与刚体模型不同的结果，说明弹性振动对太阳帆的

7、姿态会有影响。太阳帆在飞行过程中会不断产生变形，因帆膜刚度低，其变形较复杂，所受光压也由此变得复杂，故建立较精确的光压力模型也成为研究的目标之一[1⋯。上海航天AEROSPACESHANGHAI第32卷2015年第2期通过建立精确的受力模型，可根据太阳帆实时的弹性变形得到实时受力状况[1卜”]。但此种方法忽略了弹性振动对轨道、姿态的影响。文献[13]采用混合坐标法建立了柔性太阳帆动力学模型，用预应力模态完成模型降阶，建模中考虑了帆膜和支撑梁的中性面耦合变形，并通过ABAQUS／Explicit的瞬态动力学分析功能验证了该降阶模型的有效性。对太阳帆的动力学进行了大