充液航天器大角度机动下贮箱液体晃动动力学分析
会议名称：《第七届多体系统动力学青年学者学术研讨会》
会议日期：2024年
学科分类：08[工学] 081105[工学-导航、制导与控制] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 0811[工学-控制科学与工程]
摘 要：随着空间任务的复杂化,航天器经常需要执行快速大角度空间机动,建立有效的液体晃动等效力学模型对航天器姿态运动稳定性和姿态控制系统设计具有重要意义。在航天器大角度姿态机动过程中,贮箱内充液区域和液体平衡位置会发生变化,等效模型动力学参数也会随之发生变化,常值参数的等效模型无法适用于大角度姿态机动过程中的晃动动力学分析,需要建立新的变参数模型。针对充液航天器大角度连续机动工况下的贮箱内液体晃动动力学问题,目前现有等效力学模型建模时假设充液区域不变,不适用航天器姿态大角度机动工况下贮箱内液体晃动问题。因此,本研究针对变姿态下贮箱内液体晃动,提出了一种变参数等效力学模型建模策略。航天器姿态变化会导致贮箱内充液区域发生变化,首先获得几个典型姿态下的液体晃动等效摆模型参数,通过分段线性插值获得任意姿态时的有效等效模型参数,分析了充液区域变化过程中晃动模态生灭问题,修正了模型参数切换过程中的状态变量偏差,以保证晃动动力学等效模型的准确性。基于虚功率原理,建立充液航天器固-液耦合系统动力学方程,引入液体晃动变参数等效力学模型,计算大角度机动下航天器的实时晃动力与晃动力矩,最后通过大型商用CFD软件对固-液耦合系统动力学方程理论计算结果进行检验,验证了该模型的适用性。