索网式空间结构在轨变形分布式主动控制

针对大型移动通信卫星和对地观测卫星对大口径、高精度星载天线的迫切需求，本项目以索网式天线结构为主要研究对象，开展了天线反射面变形主动控制方法研究。主要研究内容包括：结合参变量变分理论与几何非线性有限元方法建立了索网天线结构非线性有限元模型，并基于该模型进行了结构力学分析；建立含有压电作动器的大型索网式天线结构的机电耦合动力学模型，给出一种适用于大规模结构主动控制的新型快速模型预测控制方法，并利用该方法求解天线反射面变形主动控制问题；建立面向大型天线结构分布式控制的有限元模型，考虑各子模块之间的测量信息交互，提出了分布式振动控制策略并分析了系统的稳定性；完成系统方案设计并搭建了星载天线反射面变形主动控制演示实验系统，验证了提高天线反射面型面精度主动控制方法的有效性。研究结果表明，所提出的基于参变量变分原理的几何非线性有限元方法比传统算法具有更稳定的收敛性和更高求解精度；快速模型预测控制方法可以高效求解大型索网式天线结构的反射面变形主动控制问题，通过主动控制可明显提高反射面的型面精度；采用可扩展的分布式控制器，大型空间天线结构的振动能够得到有效抑制，且控制系统的容错性能良好；通过实验更进一步验证了主动控制在提高天线反射面精度方面的有效性。以上研究工作为研发新一代大口径、高精度星载天线提供了理论基础和技术支撑，在进一步提高和保持天线反射面精度方面有广泛的应用前景。 2100433B

本项目以大型电子侦察卫星和通信卫星的索网式结构天线为研究对象，研究在轨环境下索网式空间结构变形控制的分布式主动控制理论和方法，并完成控制方法的实验验证。为新一代大型索网式星载天线结构设计和反射面变形的精准可靠控制提供理论基础和技术支撑。具体研究内容包括：建立面向分布式控制的索网式空间结构动力学模型；基于最优控制理论发展结构变形前馈控制方法；研究结构变形控制的分布式H2/H∞反馈控制方法；设计和搭建结构变形主动控制实验系统，并完成索网式结构变形分布式主动控制方法实验验证。

前言

第1章 概述

1.1 工程背景与研究意义

1.2 研究历史与现状

1.2.1 热致响应的分析

1.2.2 热致变形的控制

1.2.3 热诱发振动的控制

1.3 本书的主要研究内容

第2章 空间结构热致变形的热流主动控制

2.1 引论

2.2 控制热流作用下的热一结构动力学方程

2.3 热致变形的主动控制

2.3.1 给定热驱动器布置的控制热流优化

2.3.2 热驱动器的合理布置

2.4 热致变形主动控制的数值算例

2.4.1 悬臂梁热致变形的主动抑制

2.4.2 悬臂梁动态形状追踪的主动控制

2.4.3 空间桅杆热致变形的主动抑制

2.4.4 环形可展开天线热致变形的主动抑制

2.5 本章小结

第3章 空间结构热诱发振动的热流主动控制

3.1 引论

3.2 热一结构动力学状态方程的建立

3.2.1 瞬态热传导状态方程的建立

3.2.2 结构动力学状态方程的建立

3.3 控制热流的最优控制律设计

3.4 最优控制热流的求解流程

3.5 热诱发振动主动控制的数值算例

3.5.1 太阳能帆板热诱发振动的主动控制

3.5.2 空间桅杆热诱发振动的主动控制

3.5.3 空间反射面天线热诱发振动的主动控制

3.6 本章小结

第4章 空间热流作用下悬臂梁结构的热颤振准则

4.1 引论

4.2 热一结构耦合振动方程的建立

4.3 热一结构耦合振动方程的近似求解

4.4 耦合热诱发振动的稳定性分析与热颤振准则

4.5 悬臂梁耦合热诱发振动稳定性分析的数值算例

4.5.1 太阳热流垂直悬臂梁轴线入射

4.5.2 悬臂梁轴线指向太阳

4.5.3 悬臂梁轴线指离太阳

4.6 本章小结

第5章 空间结构耦合热诱发振动的稳定性分析与热流主动控制

5.1 引论

5.2 空间结构的热一结构耦合动力学分析

5.2.1 热一结构耦合动力学方程的建立

5.2.2 耦合矩阵Bt的求解

5.2.3 热一结构耦合动力学方程的求解

5.3 空间结构耦合热诱发振动的稳定性分析

5.4 空间结构耦合热诱发振动的热流主动控制

5.5 耦合热诱发振动的稳定性分析与主动控制的数值算例

5.5.1 哈勃望远镜太阳翼耦合热诱发振动的稳定性分析

5.5.2 哈勃望远镜太阳翼耦合热诱发振动的热流主动控制

5.5.3 空间桅杆耦合热诱发振动的热流主动控制

5.6 本章小结

第6章 研究展望参考文献 2100433B

本书围绕热致变形会降低空间天线反射面的形面精度、空间桅杆的指向精度，热诱发振动会对航天器的姿态控制造成影响，而不稳定热诱发振动的发生则可能使航天器整体失效，因此，大型柔性空间框架结构热致响应的主动控制和热诱发振动的稳定性分析成为现代航天器研制中亟待解决的两个重要问题。进行介绍，本书提出了采用热流驱动进行空间结构热致变形主动控制和热诱发主动控制的新型控制方法。