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液体大幅晃动类等效力学模型研究

宇航学报 2016年第6期37卷 631-638页

作者：邓明乐岳宝增黄华北京理工大学宇航学院北京100081 中国空间技术研究院通信卫星事业部北京100094

基于液体大幅晃动等效力学模型研究充液航天器动力学与控制问题。首先,发展并完善了模拟液体大幅晃动的运动脉动球模型(MPBM),结合已有的液体大幅晃动运动规律和分析结论对MPBM的法向力的计算方法进行了改进;通过数值仿真结果与已有试... 详细信息

基于液体大幅晃动等效力学模型研究充液航天器动力学与控制问题。首先,发展并完善了模拟液体大幅晃动的运动脉动球模型(MPBM),结合已有的液体大幅晃动运动规律和分析结论对MPBM的法向力的计算方法进行了改进;通过数值仿真结果与已有试验结果的对比证明了以上改进工作的有效性。然后,基于MPBM建立了携带多个充液储箱的航天器动力学模型,针对携带四个储箱的充液航天器进行姿态机动控制研究。研究结果表明,四个充液储箱的三种可能的空间布局对航天器姿态机动过程中的角速度、液体晃动力矩和控制力矩将产生不同的影响;此外,还研究了液体大幅晃动等效力学模型中液体晃动阻尼因素对航天器姿态机动控制的影响。

关键词：运动脉动球模型(MPBM) 充液航天器液体大幅晃动多储箱姿态控制

重力环境下液体大幅晃动运动脉动球模型及实验研究

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力学学报 2022年第9期54卷 2543-2551页

作者：卢煜岳宝增马伯乐郝柏隆常园园张薇北京理工大学宇航学院北京100081 北京宇航系统工程研究所北京100076

现代航天器通常携带大量的液体推进剂,在航天器的姿态发生变化的过程中,由于惯性力和重力的作用,可能会导致液体燃料发生剧烈晃动,由此产生附加的晃动力会对航天器造成重要影响.为了得到液体晃动的规律并满足星载计算机实时计算的要求,... 详细信息

现代航天器通常携带大量的液体推进剂,在航天器的姿态发生变化的过程中,由于惯性力和重力的作用,可能会导致液体燃料发生剧烈晃动,由此产生附加的晃动力会对航天器造成重要影响.为了得到液体晃动的规律并满足星载计算机实时计算的要求,本文研究并验证了一种用于等效液体大幅晃动的动力学模型.首先将液体大幅晃动运动脉动球模型MPBM推广到重力环境中,通过脉动球的牛顿-欧拉动力学方程和“呼吸运动”过程中能量关系式,推导出晃动力法向分量的表达式.同时,引入不参与晃动的液体的等效模型,使得液体质心位置的计算更加准确.通过和文献中实验数据以及CFD软件的计算结果进行比较,分别验证了推广的MPBM模型在大幅晃动、零动量机动工况下的有效性,并基于该等效模型,研究了脉冲激励的不同时序对航天器中液体晃动响应的影响.最后,设计并搭建了用于精确测量液体晃动力的实验平台,验证了MPBM模型在等效非球形储箱的液体晃动时也同样可以很好地反应出晃动力的变化趋势.本文的研究工作对进一步研究重力环境中充液航天器刚–液耦合动力学行为具有重要的参考价值.

关键词：运动脉动球模型液体大幅晃动液体晃动实验充液航天器

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液体大幅晃动的高精度等效模型研究

液体大幅晃动的高精度等效模型研究

轴对称贮箱内液体大幅晃动的复合等效力学模型

第十四届全国振动理论及应用学术会议(NVTA2021)

作者：卢煜岳宝增北京理工大学宇航学院

为了完成复杂的、长时间的飞行任务,现代航天器通常需要携带大量的液体燃料,而液体燃料的大幅晃动会对航天器的运行和姿态控制产生非常大的影响。传统的单摆等效模型或者弹簧-质量块等效模型通常只适用于模拟液体小幅晃动。为了研究液... 详细信息

为了完成复杂的、长时间的飞行任务,现代航天器通常需要携带大量的液体燃料,而液体燃料的大幅晃动会对航天器的运行和姿态控制产生非常大的影响。传统的单摆等效模型或者弹簧-质量块等效模型通常只适用于模拟液体小幅晃动。为了研究液体大幅晃动对航天器姿态的影响,采用一种等效力学模型——运动脉动球模型(MPBM),将航天器储箱中液体等效成质量不变、半径发生变化、与储箱壁始终保持接触的均匀球体。MPBM模型能够有效计算液体与储箱之间的相互作用力,并预测液体质心的运动轨迹,球体的"脉动"也能够揭示液体大幅晃动时对容器的冲击。考虑到航天器所处的加速度环境,将液体所受到的重力及惯性力等效到脉动球的质心,建立球形容器中运动脉动球的动力学方程,求解动力学方程,可以预测球腔中液体大幅晃动所产生的晃动力。通过与其他数值方法或实验得到的结果进行比较,证明了MPBM等效模型的有效性。将MPBM模型与航天器主刚体的运动相结合,能够很好地揭示充液航天器运行过程中的刚液耦合效应,对实际工程具有良好的参考意义。

关键词：充液航天器液体大幅晃动脉动球模型重力环境刚液耦合

来源： cnki会议评论

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中国科学：物理学、力学、天文学 2020年第7期50卷 54-66页

作者：苗楠刘战合王晓璐王菁李国举郑州航空工业管理学院航空工程学院郑州450046

航天工程中普遍使用等效力学模型描述液体晃动动力学,但基于线性理论的传统等效力学模型在大幅晃动中的适用性较差、精度较低.为此本文提出适用于常/低重力环境下液体大幅晃动的复合等效建模方法.以轴对称贮箱为例,提出了大幅晃动下跟... 详细信息

航天工程中普遍使用等效力学模型描述液体晃动动力学,但基于线性理论的传统等效力学模型在大幅晃动中的适用性较差、精度较低.为此本文提出适用于常/低重力环境下液体大幅晃动的复合等效建模方法.以轴对称贮箱为例,提出了大幅晃动下跟随等效重力的液体动平衡位置确定方法,建立了球面摆形式的复合等效力学模型,并推导了等效系统动力学方程.为验证该建模方法有效性和模型准确性,对大幅平动和转动激励下三维圆柱形贮箱和Cassini贮箱内液体的晃动力和力矩、质心位置等进行了计算,并将复合等效力学模型、传统等效力学模型及计算流体动力学软件的计算结果进行了对比分析.结果表明,该复合等效力学模型可对液体大幅晃动的动力学响应进行较为准确的预测.

关键词：液体大幅晃动复合等效建模动平衡位置轴对称贮箱

考虑液体大幅晃动充液航天器的自适应非奇异快速终端滑模控制

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内蒙古工业大学学报（自然科学版） 2023年第4期42卷 318-323页

作者：范志文宋晓娟时浩翔尹宏飞涂雨晴内蒙古工业大学机械工程学院呼和浩特010051 内蒙古工业大学内蒙古自治区特种服役智能机器人重点实验室呼和浩特010051 呼伦贝尔职业技术学院机电工程系内蒙古呼伦贝尔021000

针对考虑液体燃料大幅晃动的充液航天器进行姿态机动控制,研究控制系统中存在系统参数不确定、外部未知干扰以及测量不确定的充液航天器姿态控制系统,设计了一种自适应非奇异快速终端滑模控制器。将大幅晃动的液体燃料等效为运动脉动球... 详细信息

针对考虑液体燃料大幅晃动的充液航天器进行姿态机动控制,研究控制系统中存在系统参数不确定、外部未知干扰以及测量不确定的充液航天器姿态控制系统,设计了一种自适应非奇异快速终端滑模控制器。将大幅晃动的液体燃料等效为运动脉动球模型,建立了液体大幅晃动航天器动力学方程。针对充液航天器姿态稳定问题,设计具有有限时间收敛且能避免奇异点的非奇异快速终端滑模面,使充液航天器可以快速达到姿态稳定;与此同时,设计自适应更新律估计集总扰动的未知上界。Lyapunov稳定性分析表明,在系统参数不确定、外部未知干扰、测量不确定和大幅液体晃动的影响下,所提出的自适应非奇异快速终端滑模控制能够保证系统的快速收敛特性,仿真分析验证了所提出控制器的有效性。

关键词：充液航天器液体大幅晃动非奇异快速终端滑模姿态控制

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改进的液体大幅晃动运动脉动球等效模型研究

改进的液体大幅晃动运动脉动球等效模型研究

大幅晃动液体冲击贮箱顶盖SPH-FEM数值模拟研究

第十二届多体动力学与控制暨第七届航天动力学与控制和第十...

作者：卢煜岳宝增北京理工大学宇航学院

现代航天器通常携带大量的燃料或推进剂,以提高工作时长和运载能力。在航天器进行姿态机动或交会对接过程中,储箱内液体燃料会发生大幅度晃动,与航天器主刚体之间产生刚-液耦合效应,使得航天器动力学特性发生变化,可能会造成航天器主刚... 详细信息

现代航天器通常携带大量的燃料或推进剂,以提高工作时长和运载能力。在航天器进行姿态机动或交会对接过程中,储箱内液体燃料会发生大幅度晃动,与航天器主刚体之间产生刚-液耦合效应,使得航天器动力学特性发生变化,可能会造成航天器主刚体的晃动、翻滚,甚至导致航天器失控失效。为了研究液体大幅晃动对航天器姿态的影响,采用一种等效力学模型——运动脉动球模型(MPBM),将航天器储箱中液体等效成质量不变、半径可以发生变化的均匀球体,该球体在储箱中发生运动,并始终与储箱内壁保持接触。MPBM模型能够有效计算液体与储箱之间的相互作用力,并预测液体质心的运动轨迹。在实际工程中,航天器在极低轨道运行或交会对接时,液体所处的重力或加速度环境不可忽略。对于MPBM模型的研究通常是在零重力或者微重力环境下进行的,本文将重力效应考虑到脉动球在呼吸运动时受到的法向支持力公式当中,将微重力环境下MPBM模型推广到了常重力环境下,并运用凯恩方法建立了重力环境下的充液航天器刚-液耦合动力学模型。基于改进的MPBM模型,对重力环境下充液航天器的姿态机动进行仿真计算,航天器主刚体执行起旋-消旋运动,使四元数发生改变。仿真结果表明,在没有控制力矩作用的情况下,液体燃料晃动幅度逐渐增加,从平衡位置附近的往复运动逐渐演化为大范围的"回环"运动,使得航天器主刚体发生倾覆。采用PD控制实现航天器的姿态机动时,能有效抑制液体晃动幅度,液体质心仅在储箱底部往复运动,使得航天器主刚体最终仅发生微小振动,振荡幅值不超过0.03rad/s。

关键词：充液航天器液体大幅晃动脉动球模型

来源： cnki会议评论

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水动力学研究与进展（A辑） 2019年第3期34卷 384-394页

作者：覃颢然华渊王庄江南大学环境与土木工程学院江苏无锡214122 河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室江苏南京210098

该文应用光滑粒子流体动力学(SPH)方法和有限元法(FEM)的耦合算法对矩形贮箱内液体大幅晃动冲击顶盖问题模拟研究。箱内流体域采用SPH粒子离散,贮箱固壁边界采用FEM离散,基于无网格粒子接触算法分析流体与固壁边界之间的耦合作用,将数... 详细信息

该文应用光滑粒子流体动力学(SPH)方法和有限元法(FEM)的耦合算法对矩形贮箱内液体大幅晃动冲击顶盖问题模拟研究。箱内流体域采用SPH粒子离散,贮箱固壁边界采用FEM离散,基于无网格粒子接触算法分析流体与固壁边界之间的耦合作用,将数值模拟结果与模型试验结果进行对比分析。在此基础上,数值计算高充液率贮箱在不同激振频率及幅值情况下晃动液体冲击顶盖现象,获取冲击顶盖的压力时程。结果表明:数值模拟结果与模型试验结果吻合较好,验证了此方法的可行性和有效性。高充液率情况下贮液箱较易发生液体晃动冲击顶盖现象,且当激振频率在接近液体一阶晃动频率时,随激振幅值增大而冲击压力峰值也随之增大,冲击压力过程呈现显著的震荡及随机特性。SPH-FEM耦合算法可进一步应用到其它复杂结构形式的贮液容器内液体晃动冲击问题研究中。

关键词：液体大幅晃动冲击压力贮箱顶盖 SPH-FEM

含液体燃料大幅晃动的航天器动力学与控制研究

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含液体燃料大幅晃动的航天器动力学与控制研究

燃料大幅晃动等几何分析仿真及航天器耦合动力学研究

北京力学会第二十二届学术年会

作者：邓明乐岳宝增唐勇许艳丽刘峰北京理工大学宇航学院力学系

现代航天器需要完成长时间及复杂的飞行任务,需要携带更多的液体燃料,尤其在机动变轨、空间交会对接、软着陆等情况下,很可能引发液体大幅非线性晃动。传统的晃动等效力学模型(如单摆模型),均基于液体燃料小幅度晃动的假设,实际上已无... 详细信息

现代航天器需要完成长时间及复杂的飞行任务,需要携带更多的液体燃料,尤其在机动变轨、空间交会对接、软着陆等情况下,很可能引发液体大幅非线性晃动。传统的晃动等效力学模型(如单摆模型),均基于液体燃料小幅度晃动的假设,实际上已无法准确地反映出在部分状况下液体燃料与航天器运动的耦合动力学特性,亟待大幅晃动等效力学模型的引入[1]。出于对航天器运动控制的目的,在对比国内外已有的大幅晃动等效力学模型的适用范围及特点的基础上,本文深入地研究了运动脉动球大幅晃动等效力学模型(Moving Pulsating ball model)[2-4],并结合已有的液体大幅晃动运动规律和分析结论对该模型进行了两个方面的优化工作:第一,将NASA早期的用于模拟液体大幅晃动的等效力学模型LAMPS(Large amplitude slosh)中的有效质量因子引入到脉动球模型中[5];第二,通过晃动中的液体自由液面面积变化时同样具有与最小表面积对应的毛细势能的特点,修改了该模型的表面张力作用项。这两个方面的修改最终体现在脉动球模型中液体与贮箱刚体耦合的法向作用力的表达式上面。随后通过与现有的实验结果以及未优化模型的仿真结果进行了对比,证明了以上优化工作提升了该模型在微重力环境下液体大幅晃动时的仿真效果[6-7]。文章还就对比结果中等效模型的章动阻尼比实际值大等问题进行了较深入地分析。随后,本文根据我国新一代充液航天器的发展需求,针对携带四个球形燃料储箱的航天器,进行了刚-液耦合模型建模和姿态控制的研究[8-9]。基于改进后的运动脉动球模型,建立了携带多个充液储箱的航天器的动力学模型。基于Lyapunov理论建立了航天器姿态机动反馈控制策略[10],并且对携带四个储箱的充液航天器进行了姿态机动控制研究。假设四个燃料储箱存在三种可能的不同空间排布,分别对每一种储箱排布的情况进行数值仿真计算,仿真结果表明三种不同的储箱排布会对航天器姿态机动过程中的角速度变化,液体晃动力矩和控制力矩产生不同的影响,以及对成功地完成姿态机动控制目标所要求的最低液体晃动阻尼也不相同。运动脉动球模型是一种能在常重力和微重力环境下进行液体小幅和大幅晃动仿真的等效力学模型,本文在此模型的基础上开展的研究对工程实践和应用有着十分重要的指导和借鉴意义。

关键词：运动脉动球模型充液航天器液体大幅晃动多燃料储箱

来源： cnki会议评论

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力学学报 2023年第2期55卷 476-486页

作者：于嘉瑞岳宝增李晓玉北京理工大学宇航学院北京100081 北京遥感设备研究所北京100854

现代航天器肩负许多周期长且复杂的航天任务,通常需要携带大量的液体燃料.贮箱中液体燃料大幅晃动会严重影响航天器的姿态稳定性和控制精度,是现代航天器耦合动力学建模和精确控制研究的重要问题.本文提出了一种新的液体大幅晃动数值仿... 详细信息

现代航天器肩负许多周期长且复杂的航天任务,通常需要携带大量的液体燃料.贮箱中液体燃料大幅晃动会严重影响航天器的姿态稳定性和控制精度,是现代航天器耦合动力学建模和精确控制研究的重要问题.本文提出了一种新的液体大幅晃动数值仿真方法,采用等几何分析方法对贮箱内气体和液体整体进行建模和空间离散,采用压力修正的分步法对控制方程进行时间离散,结合水平集方法划分气体和液体区域并且实时追踪液体晃动自由面.提出了一种质量修正方法以消除水平集函数演化产生的液体质量误差.基于燃料大幅晃动等几何分析仿真方法,对携带太阳能帆板的充液航天器进行动力学建模和耦合运动数值仿真.对于太阳能帆板的振动问题则采用Kirchhoff-Love板理论建模和模态分析法数值求解.通过将数值仿真结果与解析解对比,证明了本文给出方法的正确性.本文还对燃料大幅晃动下的航天器刚−液−柔耦合运动进行了数值仿真,发现液体晃动对航天器的姿态变化和结构振动的幅值和频率具有不可忽视的影响.

关键词：刚−液−柔耦合航天器液体大幅晃动等几何分析水平集方法柔性附件