摘要：应用空间算子代数方法对空间多体系统进行动力学建模、分析与仿真。空间算子代数作为基于李群及旋量方法的算子理论,采用估计理论中卡尔曼滤波及平滑方法,实现了具有明确物理含义的O(n)计算效率的动力学实时递推求解算法。首先使用空间算子代数理论对多体系统动力学进行递推形式的描述、建模及分析,并通过与估计理论对比提出了质量矩阵求逆的高效递推算法,而后基于面向对象技术编制了软件,并通过漂浮基双臂机器人典型算例的求解,与商业动力学软件Simpack进行对比,验证了软件及算法的正确。结果表明,空间算子代数方法概念清晰、推导方便,计算效率及精度能够满足工程需求,可用于空间多体系统动力学实时仿真及控制系统设计。

摘要：卫星点波束可移动天线以其结构简单,高精度等优点得到广泛应用,天线地面应用软件便是对其进行可视化监控而设计的。软件采用以状态变量为中心的设计思想及模块化的设计方法,用VC和OpenGL作为设计平台实现了两种工作模式:在线模式下,通过解算遥测数据,可视化监视天线状态,还可通过设置指向目标位置,直接构造指令并发送;离线模式下,可对天线理想运动进行功能性的验证及仿真。软件经过在卫星测试阶段的使用,性能指标满足应用要求。

摘要：以绳索式末端执行器为研究对象,基于离散化方法,采用六维弹簧柔性连接方式建立了绳索动力学模型,并引入绳索与目标间的非线性接触碰撞力和摩擦力模型,获得末端执行器捕获动力学模型,并设计了末端捕获冲击实验,验证了模型的正确性。所建模型可充分考虑绳索的空间运动状态以及捕获过程中绳索与目标间的接触碰撞过程,基于此模型可预示并预防捕获过程中瞬时的较大冲击。对于机构设计和控制器调试具有一定意义,并可作为物理试验的有效补充,解决我国未来空间大型目标捕获任务地面试验验证困难的问题。

摘要：对目标的成功抓捕,是未来完成空间站组装、卫星维修、燃料加注等在轨服务任务的关键,基于钢丝绳的末端执行器机构具有大容差、软捕获特性,对于捕获较大惯量和较大速度的航天器具有相当的优势。本文基于离散化方法,采用六维弹簧柔性连接方式建立了绳索动力学模型,并引入绳索与目标间的接触碰撞模型,获得末端执行器捕获动力学模型。所建模型可充分考虑捕获过程中绳索与目标间的接触碰撞过程,基于此模型可预示并预防捕获过程中瞬时的较大冲击。对于机构设计和控制器调试具有一定意义,并可作为物理试验的有效补充,解决我国未来空间大型目标捕获任务地面试验验证困难的问题。

摘要：针对中国航天事业对国产化航天器设计软件的迫切需求,设计了航天器系统仿真软件SpaceSim。面向大规模航天系统仿真效率低,以及多领域先进载荷耦合仿真复杂、传统的时间驱动仿真框架难以满足时敏任务需求等难题,提出了基于GPU的大规模航天系统多领域建模与高效仿真方法,构建了基于时间和事件混合驱动的航天系统软件运行框架,并实现了与第三方软件的高性能联合仿真接口。SpaceSim可完成航天器设计、测试、发射、运控等全任务周期的仿真与验证,可广泛应用于教学科研及型号工程任务。

摘要：针对月壤钻取采样过程中存在大颗粒岩块情况进行三维离散元动态仿真分析。建立考虑扭转、弯曲力矩及等效引力作用的新型三维离散元月壤模型,通过三轴仿真试验进行细观参数标定,得到黏聚力为0.90 k Pa,内摩擦角为42.25°的满足真实月壤宏观力学指标的仿真模型。针对月壤内层存在大颗粒情况设计4种采样工况分别进行仿真分析,监测大颗粒运动轨迹与采样效率,发现了"旋入效应"、"纵向运移效应"与"阻塞效应",仿真结果表明岩块粒径大小直接影响采样结果:当岩块粒径小于钻头"虚拟切削圆"时,其无论存在于任何位置对采样效率与后续样品缠绕收集均无明显影响;当岩块粒径大于"虚拟切削圆"时,阻塞现象严重,样品收集困难,极易导致采样失败。研究结论对月壤钻取采样控制设计与钻具结构设计具有重要的工程参考价值。

摘要：针对航天器球形贮箱液体大幅晃动问题,采用光滑粒子流体动力学方法(SPH)对液体进行建模:基于SPH方法基本方程推导出N-S方程的数值解,并给出人工黏度项、压力项表达式,选择动态边界法处理边界计算问题。建立光滑内壁球形贮箱及带防晃隔板球形贮箱两种模型,设计力模式、运动模式两种激励形式并选择三种激励频率进行仿真分析,分别记录舱壁受力及测点压强。仿真结果表明:激励频率取为1.5 Hz时,舱壁受力最大;隔板能够减弱液体晃动对舱壁产生的作用;液体晃动现象的产生使得舱壁在y,z两方向的受力均增大;位于液面以下的舱壁所受压力具有“双波峰”特性,而隔板的存在对压力峰值具有“平均化”效果,避免局部压力过大;位于液面以上的舱壁所受压力表现为“脉冲波”形式,随激励频率的增加隔板对舱壁压力的削弱效果越明显。

摘要：空间充气展开绳网系统在空间捕获中具有自身特殊的优势:占用体积小,展开后捕获范围大,且绳网由充气杆支撑,结构更加稳固,比空间飞网系统更加具有应用潜力。基于绝对节点坐标法(Absolute node coordinate method,ANCF)建立空间充气展开绳网捕获系统动力学模型,应用Hertz理论建立柔性体碰撞动力学模型,对系统进行动力学仿真分析。仿真表明,静力学和振动分析能够为机构力学参数选型提供参考,相比充气杆末端激励,绳网中部受到激励时对捕获机构振动影响更大;机构收口拉力随着充气杆刚度的增加而增大,对充气杆的放气处理可以降低其刚度,从而减小收口拉力,约为原来的10%,易于收口机构的设计。通过对期望目标的捕获仿真,分析了影响收口过程的关键指标,证明了捕获策略的合理性和动力学模型的准确性。研究结果能够对空间充气展开绳网捕获系统设计提供有效的依据。

摘要：电帆柔索动力系统以太阳风动压为动力源是一种颇具前景的无工质推进方式,由末端质量在自旋运动中产生的离心力带动展开。由于大变形、大转动柔索具有较强的几何、材料非线性,刚体运动与变形之间出现强耦合等特性,为了对柔索电帆展开过程中的整体姿态变化进行准确模拟仿真,本文采用基于有限段离散化方法建立了多刚体加柔性连接的柔索模型,实现了电帆柔索展开机构的柔性体建模。针对不同驱动展开角速度以及末端质量的情况,本文通过分析柔索伸长速率、末端运动相位、绳内张紧力等的变化特点,分析展开过程中柔索动态特性及影响因素。其中驱动角速度影响展开速率以及柔索运动相位的变化,末端随半径的增加产生的离心力也越大,可能使柔索出现反向缠绕的现象;对更大长细比的柔索,增加末端质量能够增加电帆自旋展开的稳定性。本文的研究能够为柔索电帆机构设计、柔索展开控制及帆面保持提供有效的理论参考。

摘要：针对星载天线双轴定位机构的空间漂浮基无根树多体系统动力学实时仿真及控制系统设计的需要,应用空间算子代数(SOA)理论进行多体系统动力学建模和仿真;提出了SOA描述的动力学递推及求解算法,并面向对象思想定义多体系统数据结构,进行了动力学计算流程设计。所提方法形式直观、便于推导、物理意义明确及达到了O(n)计算效率。通过与Simpack仿真结果进行比较,结果表明SOA的多体系统动力学算法求解速度更快、仿真结果精度更高。