[发明专利]一种大惯量旋转载荷卫星的刚柔磁耦合动力学建模方法

摘要

一种大惯量旋转载荷卫星的刚柔磁耦合动力学建模方法，它用于航天器动力学建模领域。本发明解决了在磁悬浮轴承连接下，刚柔耦合的多级多体卫星系统将会受到电磁力的影响，导致系统动力学建模极为复杂的问题。本发明在考虑系统刚柔耦合、磁力耦合的基础上，利用第二类拉格朗日方程原理，分别建立卫星平台和大惯量旋转载荷的动力学方程，能够将柔性太阳帆板振动、轴承电磁力对整个旋转载荷卫星动力学特性的影响体现在模型中，较为简便地完成了动力学模型的建立。本发明可以应用于航天器动力学建模领域用。

主权项

1.一种大惯量旋转载荷卫星的刚柔磁耦合动力学建模方法，其特征在于，该方法的具体步骤为：步骤一：确定旋转载荷卫星的结构包括卫星平台、平台三轴正交飞轮、双侧柔性太阳帆板、磁悬浮轴承、旋转载荷和载荷惯性轮；假设卫星平台为刚体，平台三轴正交飞轮为刚体，旋转载荷为刚体，旋转载荷与卫星平台之间为磁悬浮轴承连接；双侧柔性太阳帆板及载荷惯性轮为单轴驱动；定义坐标系：以地心为坐标原点o，建立地心赤道坐标系oxyz，所述地心赤道坐标系的x轴在J2000地球平赤道面内由地心指向J2000时刻的平春分点，z轴为J2000地球平赤道面的法线且指向北极方向，y轴同x轴和z轴构成右手系；以旋转载荷卫星质心为坐标原点oo，建立轨道坐标系ooxoyozo，所述轨道坐标系的xo轴在旋转载荷卫星的轨道面内并指向旋转载荷卫星的前进方向，zo轴由旋转载荷卫星质心指向地心，yo轴同xo轴和zo轴构成右手系；假设旋转载荷卫星的轨道坐标系原点作匀速直线运动；旋转载荷卫星包括平台分系统和载荷分系统；所述平台分系统包括卫星平台、平台三轴正交飞轮和双侧柔性太阳帆板，所述载荷分系统包括旋转载荷和载荷惯性轮；以平台分系统质心为坐标原点os，建立平台分系统质心坐标系osxsyszs，所述平台分系统质心坐标系的xs轴与yo轴方向相反，ys轴与zo轴方向相反，zs轴同xs轴和ys轴构成右手系；以卫星平台质心为坐标原点ob，建立卫星平台本体系obxbybzb，所述卫星平台本体系的xb轴与yo轴方向相反，yb轴与zo轴方向相反，zb轴同xb轴和yb轴构成右手系；以平台三轴正交飞轮质心为坐标原点owj，建立平台三轴正交飞轮本体系owjxwjywjzwj，j＝1,2,3；j＝1时，以平台xb轴飞轮质心为坐标原点ow1，建立平台xb轴正交飞轮本体系ow1xw1yw1zw1，且坐标系ow1xw1yw1zw1的三轴指向同坐标系obxbybzb；j＝2时，以平台yb轴飞轮质心为坐标原点ow2，建立平台yb轴正交飞轮本体系ow2xw2yw2zw2，且坐标系的三轴指向同坐标系obxbybzb；j＝3时，以平台zb轴飞轮质心为坐标原点ow3，建立平台zb轴正交飞轮本体系ow3xw3yw3zw3，且坐标系的三轴指向同坐标系obxbybzb；以帆板铰接点为坐标原点ofi，建立双侧柔性太阳帆板本体系ofixfiyfizfi，i＝1,2；i＝1时，以平台左侧柔性太阳帆板铰接点为坐标原点of1，建立左侧柔性太阳帆板本体系of1xf1yf1zf1，且坐标系of1xf1yf1zf1的三轴指向同坐标系obxbybzb；i＝2时，以平台右侧柔性太阳帆板铰接点为坐标原点of2，建立右侧柔性太阳帆板本体系of2xf2yf2zf2，且坐标系of2xf2yf2zf2的三轴指向同坐标系obxbybzb；以载荷分系统质心为坐标原点oz，建立载荷分系统质心坐标系ozxzyzzz，所述载荷分系统质心坐标系的xz轴与yo轴方向相反，yz轴与zo轴方向相反，zz轴同xz轴和yz轴构成右手系；以旋转载荷质心为坐标原点op，建立旋转载荷本体系opxpypzp，所述旋转载荷本体系的xp轴与yo轴方向相反，yp轴与zo轴方向相反，zp轴同xp轴和yp轴构成右手系；以载荷惯性轮质心为坐标原点opw，建立载荷惯性轮本体系opwxpwypwzpw，所述载荷惯性轮本体系的xpw轴与yo轴方向相反，ypw轴与zo轴方向相反，zpw轴同xpw轴和ypw轴构成右手系；定义广义坐标q组成：X为平台分系统质心位置，ω为平台分系统角速度，θwai为柔性太阳帆板i相对卫星平台中心刚体转角，i＝1,2，ηi为柔性太阳帆板i弹性振动前m阶模态坐标，θwj为平台三轴正交飞轮j相对卫星平台中心刚体转角，j＝1,2,3，Xp为载荷分系统质心位置，ωp为载荷分系统角速度，θwp为旋转载荷惯性轮相对于旋转载荷的转角；步骤二：建立平台分系统和载荷分系统的动力学方程；所述平台分系统的动力学方程包括卫星平台的平动方程及姿态方程、双侧柔性太阳帆板的驱动方程及振动方程、平台三轴正交飞轮的驱动方程；所述载荷分系统的动力学方程包括：旋转载荷的平动方程及姿态方程、载荷惯性轮驱动方程；步骤三：根据平台分系统和载荷分系统的空间相对运动信息，求解出轴承各磁极磁隙变化；步骤四：设定磁轴承磁隙控制原理为PD控制，根据求解出的磁隙变化计算出各磁极电磁力大小，并将各磁极电磁力等效为作用在转轴质心上的合力和合力矩，完成动力学模型的建立。