航天器推進(jìn)劑晃動(dòng)的動(dòng)力學(xué)建模與抑制方法研究.pdf

1、液體推進(jìn)劑的晃動(dòng)問(wèn)題在現(xiàn)代航天器的總體設(shè)計(jì)中愈發(fā)受到重視。這是由于隨著對(duì)航天器執(zhí)行任務(wù)能力要求的提高，推進(jìn)劑在航天器的總重構(gòu)成中占有的比例亦相應(yīng)增加。而大量液體推進(jìn)劑的晃動(dòng)行為有可能影響航天器整體的動(dòng)力學(xué)性能，對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性或系統(tǒng)的穩(wěn)定性構(gòu)成威脅。本文針對(duì)此問(wèn)題，基于液體晃動(dòng)模態(tài)理論，利用等效力學(xué)方法建立了晃動(dòng)耦合動(dòng)力學(xué)模型，分析研究了推進(jìn)劑晃動(dòng)對(duì)航天器造成的動(dòng)力學(xué)影響，并從防晃結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和前饋控制兩種角度探討了抑制推進(jìn)劑晃動(dòng)的實(shí)用方法。

2、具體研究?jī)?nèi)容與主要成果如下：
　　結(jié)合航天應(yīng)用背景，對(duì)以往有關(guān)液體晃動(dòng)的國(guó)內(nèi)外研究從基本理論、研究方法和成果應(yīng)用三方面進(jìn)行了綜述，確定了研究?jī)?nèi)容與實(shí)現(xiàn)步驟：以模態(tài)理論為基礎(chǔ)，以等效力學(xué)方法為手段，分析推進(jìn)劑晃動(dòng)與航天器控制系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)耦合關(guān)系，開(kāi)展關(guān)于推進(jìn)劑晃動(dòng)抑制策略的研究。
　　基于流體力學(xué)基本理論和變分原理，建立以液體流動(dòng)速度勢(shì)為待求函數(shù)的晃動(dòng)問(wèn)題數(shù)學(xué)描述。通過(guò)分離該函數(shù)中的時(shí)間變量，將描述方程由原來(lái)的偏微分方程組化為

3、關(guān)于模態(tài)函數(shù)的常微分方程組，為之后基于模態(tài)理論分析研究晃動(dòng)的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題奠定了基礎(chǔ)。
　　基于模態(tài)響應(yīng)理論和力學(xué)等效原則，推導(dǎo)了以簡(jiǎn)單機(jī)械系統(tǒng)代替液體系統(tǒng)的等效力學(xué)模型建模方法。通過(guò)在建模過(guò)程中，利用固體有限元通用分析手段獲取晃動(dòng)模態(tài)特征值和特征向量，提高了建模效率和方法的適用性。方法的有效性和準(zhǔn)確性則通過(guò)在若干算例中與相關(guān)研究數(shù)據(jù)的對(duì)比得到了驗(yàn)證。利用等效模型的動(dòng)力學(xué)開(kāi)環(huán)分析結(jié)果，總結(jié)了非線性晃動(dòng)模態(tài)被激發(fā)的必要條件，為研究推進(jìn)劑

4、晃動(dòng)與航天器控制系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)耦合效應(yīng)建立了基礎(chǔ)。
　　從多體動(dòng)力學(xué)的角度出發(fā)，以等效力學(xué)模型的研究結(jié)論為基礎(chǔ)，建立了航天器大系統(tǒng)內(nèi)液-固-控耦合效應(yīng)的分析模型。建立了可用于晃動(dòng)動(dòng)力學(xué)閉環(huán)分析的實(shí)時(shí)仿真模塊。數(shù)值仿真結(jié)果表明：以航天器剛體模型設(shè)計(jì)的控制率，由于推進(jìn)劑晃動(dòng)的擾動(dòng)影響的實(shí)際存在，而有可能無(wú)法有效地實(shí)現(xiàn)控制目的。尤其是當(dāng)推進(jìn)劑晃動(dòng)質(zhì)量的質(zhì)心比航天器質(zhì)心更靠近軸向前端時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定的必要條件是晃動(dòng)質(zhì)量必須滿足由航天器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和推

5、進(jìn)劑貯箱相對(duì)位置確定的限制條件。
　　以流體力學(xué)繞流理論為基礎(chǔ)，解析分析了晃動(dòng)抑制結(jié)構(gòu)的作用機(jī)理。建立了結(jié)構(gòu)防晃效能的定量分析模型。通過(guò)與實(shí)驗(yàn)文獻(xiàn)的對(duì)比，驗(yàn)證了解析分析的合理性。通過(guò)解析方法與計(jì)算流體力學(xué)模擬技術(shù)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)防晃結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程的改進(jìn)，其方法和結(jié)果對(duì)航天器貯箱的設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值。
　　將輸入成型技術(shù)應(yīng)用到液體推進(jìn)劑晃動(dòng)抑制的研究中。依據(jù)液體晃動(dòng)基頻，通過(guò)對(duì)晃動(dòng)幅度、航天器推力水平、時(shí)間或能耗優(yōu)化等因素的綜合考