空间太阳能电站的轨道姿态和结构振动的耦合-动力学与控制学报.pdfVIP

第１４卷第６期２０１６年１２月 动力 学 与控 制 学报 Ｖｏｌ．１４Ｎｏ．６ １６７２６５５３／２０１６／１４ ／５１３６ Ｄｅｃ．２０１６ ⑹ ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＤＹＮＡＭＩＣＳＡＮＤＣＯＮＴＲＯＬ 空间太阳能电站的轨道、姿态和结构振动的 耦合动力学建模及辛求解  魏乙　邓子辰 　李庆军　文奋强 （西北工业大学工程力学系，西安　７１００７２） 摘要　作为一种从太空获得清洁能源的系统，空间太阳能电站（ＳＰＳ）吸引着许多国家和科研机构的关注．由 于其超大、超轻的柔性结构特点，研究其在轨动力学行为时需要考虑轨道、姿态和结构振动的耦合作用．本 文在考虑地球的非球形摄动影响下，建立了集成对称聚光系统（ＩＳＣ）的动力学模型．通过Ｌｅｇｅｎｄｒｅ变换引入 广义动量，在Ｈａｍｉｌｔｏｎ体系下建立了其轨道、姿态、轴向振动耦合的动力学方程．采用辛 ＲｕｎｇｅＫｕｔｔａ方法对 耦合动力学方程进行数值求解．根据数值结果，分别研究了其在地球同步轨道下二阶摄动项对轨道、姿态和 结构振动的影响，并分析了总能量的变化情况． 关键词　空间太阳能电站，　轨道，　姿态，　结构振动，　辛 ＤＯＩ：　１０．６０５２／１６７２６５５３２０１６０２１ 和地球同步轨道的轨道动力学和姿态动力学，并分 引言 别进行了比较．然而，以上的工作都是把 ＳＰＳ看作 ［１１］ 随着全球经济的不断发展，能源与环境问题已 是刚体，并没有考虑系统的柔性．Ｍａｌｌａ等 将超 成为当今最引人注目的两大课题．自从 １９６８年美 大空间柔性结构抽象成哑铃模型，研究了轨道离心 国人Ｇｌａｓｅｒ首次提出建立空间太阳能电站（ＳＰＳ） 率的变化对其姿态角和轴向变形的影响；随后，针 的设想以来，ＳＰＳ吸引着许多国家和科研机构的关 对低空地球轨道和同步地球轨道平面运动的超大 空间柔性结构， ［１２］ 注．美、日、欧等相继提出了２０多种概念，并开展了 Ｍａｌｌａ 研究了初始条件对轴向变 ［１－６］ ［１３］ 一系列探索性的研究工作 ．但是这些工作基本 形、姿态角和轨道高度的影响．Ｉｓｈｉｍｕｒａ等 使用 上都是针对不同结构形式ＳＰＳ建造和运行的可行 有限元建模，通过Ｌａｇｒａｎｇｅ方法建立了分布式绳系 性论证，对于这类超大型航天器在轨正常运行所需 ＳＰＳ结构变形和姿态运动的动力学方程，研究了太 要研究和解决的轨道、姿态以及结构的强非线性耦 阳能电池板及绳的变形和姿态运动的耦合问题；随 ［１４］ 合动力学问题，还缺乏针对性的、深入的研究． 后，Ｉｓｈｉｍｕｒａ等 又把绳系ＳＰＳ系统抽象成轴向可 在研究小型航天器的轨道运动、姿态变化、结 以伸缩的哑铃模型，通过将微分方程线性化，研究 构振动时，由于它们之间的相互影响很小，为了计 了轨道运动、俯仰运动、轴向振动之间的耦合现象． 算和讨论的方便，往往把它们看作是独立的运动， 然而，对于超大柔性ＳＰ