空间质点-弹簧-柔性薄板模型的耦合动力学行为分析

作     者：宋一帆 

作者单位：西安理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：胡伟鹏

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：空间碎片 空间质点-弹簧-柔性薄板系统 辛龙格库塔法 冲击载荷 多辛方法 

摘      要：由于人类航天活动频率的提升,轨道上太空碎片的数量不断增多,众多的空间碎片占据着珍贵的轨道资源,给后续的航天任务带来了严重威胁。拖船-绳系-柔性薄板系统作为潜在轨道碎片主动清除系统之一,其动力学行为近年来得到了学术界广泛关注。拖船-绳系-柔性薄板系统清除空间碎片过程中,有望通过拖船-绳系-柔性薄板系统中柔性薄板与空间碎片的碰撞改变碎片运动的轨道,将碎片清除出航天器工作轨道。因此,有必要研究拖船-绳系-柔性薄板系统在受到空间碎片撞击后的动力学特性,为空间碎片主动清除系统的在轨姿态调整、轨道机动和振动控制提供策略。 本文以拖船-绳系-柔性薄板系统中薄板与碎片碰撞过程为研究背景,建立了该系统在冲击载荷作用下空间质点-弹簧-柔性薄板的简化动力学模型,采用辛龙格库塔法与多辛Preissmann格式迭代求解,得到了空间质点-弹簧-柔性薄板系统在清除空间碎片过程中薄板轨道半径,横向振动,姿态角以及质点轨道半径的演化规律。具体内容如下: (1)介绍了空间碎片主动清除装置的研究背景和意义,对空间碎片主动清除技术进行分类,介绍了几种常见的建模方法,选取了适合拖船-绳系-柔性薄板系统在受到空间碎片撞击后的建模方法。随后回顾了拉格朗日力学、哈密顿力学和辛龙格库塔方法的理论知识,为后续拖船-绳系-柔性薄板系统动力学模型的建立提供了理论基础。 (2)基于拉格朗日方程,建立了在考虑薄板横向振动的情况下拖船-绳系-柔性薄板系统受到空间碎片撞击的物理模型,将拖船简化为空间质点,将绳系简化为弹簧,得到拉格朗日体系下空间质点-弹簧-柔性薄板系统的耦合动力学方程组。在数值实验中研究了结构参数对空间质点-弹簧-柔性薄板系统动力学行为的影响,并对不同结构参数下薄板和质点的轨道半径、真近角速度以及薄板姿态角随时间的变化规律进行了详细分析。 (3)为了空间质点-弹簧-柔性薄板系统主动清除空间碎片的顺利完成,需要对薄板的稳定性进行研究。本文从冲击载荷幅值,冲击载荷与薄板之间的夹角大小,冲击载荷与薄板的作用点位置三个方面研究了冲击载荷对薄板姿态角的影响。研究结果表明,冲击载荷参数对空间质点-弹簧-柔性薄板系统的姿态稳定性有着密切关系,上述研究为拖船-绳系-柔性薄板系统的设计提供了一定的理论基础。