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东方科技论坛第332次学术研讨会
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复杂柔性航天器的动力学、控制技术发展与应用
  第332期东方科技论坛“复杂柔性航天器的动力学、控制技术发展与应用研讨会”于2019年9月7日在上海科学会堂举行。本次研讨会由上海市空间智能控制技术重点实验室、上海惯性工程技术研究中心、中国航天科技集团第八研究院科技委控制专业组以及上海航天控制技术研究所联合承办,北京理工大学胡海岩院士和上海航天技术研究院副院长孟光教授共同担任本次大会执行主席。来自全国各高校研究所六十多位专家学者参加了本次研讨会。


  高分辨率对地观测系统是《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006~2020年)》部署的16个重大专项之一,要求具备全天候、全天时、全球覆盖对地观测能力,《国家创新驱动发展战略纲要(2016~2030年)》继承性的提出把卫星对地观测技术的进一步开发和应用作为重要战略任务。天基雷达卫星由于具备全天时、全天候工作能力,是高分辨率对地观测系统的重要组成部分。

  近年的对地观测任务,特别是对运动目标的观测任务,对天基遥感卫星的观测幅宽和观测分辨率同时提出了更高的要求,迫切需要发展超大尺度、高精度的天基遥感卫星。例如美国2004年提出的超大型天基遥感的需求,为发现与跟踪4000km范围内,速度25m/s,分辨率1m的运动目标,卫星携带了3m×300m尺度的天线载荷,且天线载荷的面形精度需保持在5mm以内。

  宽幅高分辨率空间遥感卫星的研究在世界各国均受到高度重视,美国航空航天局在该方面研究起步较早,于上世纪八十年代的发展规划中即提出了卫星构型,并对概念设计、理论分析、具体应用技术等方面进行了系统的研究,并成功发射了多颗安装100米量级的抛物面天线卫星。而近年来,美国为实现对地高分观测及运动目标的发现、跟踪与监视任务,于2004年提出了ISAT卫星计划,设计的天线尺度达到了3m×300m。日本研制了对称桁架天线卫星,天线由14个直径为4.8m的基本单元模块组成,并于2006年发射成功。对于上述遥感卫星,其安装的天线载荷主要分为两种常见形式:一是平面可展桁架与索网的组合结构;二是空间可展桁架与基板通过间隙铰链非线性连接的组合结构。由于此类卫星安装了复杂构型的大尺度天线载荷,使得其动力学与控制问题极具挑战性。

  目前,国内外研究学者针对第一种天线结构形式的卫星,开展了大量的结构设计、理论研究与技术应用等方面的研究,并取得了一定的研究成果;而对第二种具有非线性连接周期性重复结构特征的桁架基板天线卫星的研究起步较晚,由于其材料组成、展开方式、形面保持控制方法等明显区别于索网天线结构,导致该结构在动力学建模与高精度控制等方面存在尚未解决的理论问题。

  在动力学建模方面,由于桁架基板天线结构中包含了数量众多的间隙铰链,而每个间隙铰链在某一时刻可能处于分离或碰撞状态,不同的碰撞程度直接影响结构的动力学行为。而基于有限元软件的仿真计算,仅可得到某种初始状态下结构的动力学响应,无法全面揭示结构的动力学响应规律。因此,针对此类含接触碰撞变拓扑多体系统动力学建模问题和含间隙机构碰撞动力学建模问题,以国内北京理工大学、哈尔滨工业大学、中山大学、西北工业大学等为代表的研究团队和国外研究团队开展了相关研究,并取得了一定研究成果。但上述研究成果主要集中在对简单结构、机构的动力学建模与分析,如含间隙的杆结构、含几个间隙铰链的曲柄滑块结构、含一个间隙铰链的太阳能帆板结构等,还无法完全解决桁架基板天线的动力学行为描述问题。另外,对于桁架基板天线卫星的整星建模,在建立桁架与多基板组成的多柔性体动力学微分方程、多铰链约束方程、间隙铰链状态判断方程、碰撞力模型的基础上,同时还需考虑结构与航天器本体之间的刚柔耦合效应,而如果采用现有的建模方法获得的整星动力学模型的自由度非常高,且非线性强,无法直接用于控制系统设计。

  在高精度控制方面,由于间隙、碰撞等大量复杂非光滑因素使得可展机构在锁定后在时变热载荷作用下容易引发热致振动,直接影响卫星姿态运动及有效载荷的指向稳定度,而且这些因素往往难以完全有效控制。需在控制器设计中,考虑间隙铰链带来的不连续性、迟滞性、时变、分段线性和刚度硬化等多种非线性特征。同时,由于卫星的姿态稳定度和指向精度要求较高,布置在结构上的测量和控制执行元件非常多,是典型的分布参数化系统,需进行协调控制以保证系统的整体性能,虽然传统的集中式协调控制器易于实现,但风险较大,当测量或控制单元出现失误,会导致整个控制器的失败。另外,卫星姿态指向控制系统与天线结构控制系统之间存在能量传递、强动力学耦合及有限时间、传感器测量上限、执行机构输出饱和等约束条件,同时受到外界环境的摄动力、干扰力矩和环境温度等因素影响,造成现有的控制方法无法实现桁架基板天线卫星的高精度姿态指向控制。针对此类控制问题,国内西北工业大学、哈尔滨工业大学和国防科技大学等研究团队和国外学者开展了分散化控制方法的研究,并取得了一定的研究成果,但研究对象主要集中在悬臂约束态下的柔性结构振动抑制,而未考虑柔性结构与中心体结构的一致协调控制问题,无法实现整星的高精度一致指向控制。

  因此,有必要邀请该领域的专家针对上述两个方面的问题,召开专题研讨会,集思广益以促进国内在该技术领域的发展。
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