[发明专利]充液航天器姿态动力学全物理仿真试验方法

说明书

本发明的充液航天器姿态动力学全物理仿真试验方法，包括以下步骤：S1、通过三轴气浮台模拟航天器在轨微重力、三轴自由转动动力学环境；S2、采用冷气推进系统为三轴气浮台提供喷气控制力矩，模拟航天器变轨控制期间的喷气姿态控制；S3、采用液体晃动力矩模拟器模拟航天器液体晃动干扰力矩；S4、采用激光跟踪仪和激光陀螺仪分析液体晃动对航天器姿态动力学的影响。本发明的充液航天器姿态动力学全物理仿真试验方法适用于三轴气浮台全物理仿真试验，在全物理仿真环境下分析液体晃动对航天器姿态的影响，可更真实有效地考核和验证控制系统。该模拟方法由于去除了液体晃动产生的整星质心变化，可避免出现气浮台倒台现象。

技术领域

本发明涉及姿态动力学，更具体地说，涉及一种充液航天器姿态动力学全物理仿真试验方法，该方法可用于航天器姿轨控与动力学优化设计以及试验验证。

背景技术

航天器为了具备脱离地球引力、进入GEO转移轨道或进入星地间转移轨道以及再入行星、绕飞行星等能力，一般都装有大型充液贮箱，有时星载液体燃料量与全星质量比高达50％～60％，甚至更高。因此，液体燃料晃动与全星控制的耦合作用大大加强，对控制系统稳定性设计提出了严峻挑战。尤其在变轨机动段，由于发动机点火且推力方向偏心，或是姿控推力器喷气，都可能激起贮箱中液体燃料的小幅晃动乃至大幅晃动，产生干扰力矩，从而影响航天器点火姿态，引起轨道控制偏离，甚至造成航天器不能进入预定轨道，导致最终任务失败。严重时，液体燃料低频大幅晃动还会导致全星控制失稳甚至结构破坏。在航天飞行史上，由于对贮箱内燃料运动缺乏透彻研究而发生过航天器姿控系统失灵的事故，1996年美国NASA发射的Near Earth Asteroid Rendezvous(NEAR)航天器在执行近地小行星探测任务时，由于卫星姿态与晃动之间的耦合导致整个推进系统失效，使任务延迟了13个月。可见，液体晃动对整星动力学的影响研究具有明显的工程应用价值，关系到未来多个型号的成败，迫切需要集中人力物力开展相关方面的研究。

目前，充液航天器姿态动力学影响分析大多通过理论建模和数学仿真的方法开展，林宏、彭慧莲、董锴在“推进剂贮箱液体晃动的仿真研究与验证”(见《强度与环境》，2011年，13卷第5期，页码25-30)论文中提出一种应用CFD软件进行三维液体晃动仿真计算的方法，未提到具体的试验方法。

王天舒、张鹏飞在“充液卫星地面物理仿真方法”(见《清华大学学报》，2015年，55卷第10期，页码1130-1134)论文中提出一种提出利用飞轮施加卫星充液贮箱内液体的晃动力矩的方案，该文章重点介绍了液体晃动力矩的模拟方法，未涉及充液航天器对姿态动力学影响分析，也未介绍地面物理仿真方法的具体实施途径。

发明内容

本发明的目的在于提供一种充液航天器姿态动力学全物理仿真试验方法，真实模拟了航天器变轨期间的姿态控制力矩和液体晃动力矩，可验证液体晃动对航天器姿态控制的影响，为航天器的姿态控制和动力学优化设计提供依据。

为实现上述目的，本发明具体通过以下技术方案实现：

充液航天器姿态动力学全物理仿真试验方法，包括以下步骤：

S1、通过三轴气浮台模拟航天器在轨微重力、三轴自由转动动力学环境，可准确反映控制力矩和液体晃动干扰力矩对航天器的动力学影响特性；

S2、采用冷气推进系统为三轴气浮台提供喷气控制力矩，模拟航天器变轨控制期间的喷气姿态控制；其中，冷气推进系统的推进剂为气体，姿态控制过程中不会引起晃动干扰力矩；

S3、采用液体晃动力矩模拟器模拟航天器液体晃动干扰力矩；具体的，将液体晃动力矩模拟器安装在三轴气浮台上，采用角动量交换方式产生力矩，通过液体晃动力矩模拟器的角动量反馈监测试验期间液体晃动干扰力矩的变化情况，其中，液体晃动力矩模拟器不模拟液体晃动时的质心变化，以免引起三轴气浮台倒台；