柔性航天器姿态机动中的混沌动力学与液体晃动影响

本文主要探讨了携晃动燃料柔性航天器在姿态机动过程中的动力学行为，特别是关注了当航天器系统经历从最小惯量轴向最大惯量轴的转换时，液体燃料的耗散和柔性附件的扭转振动如何影响其混沌动力学特性。作者岳宝增，来自北京理工大学宇航学院力学系，通过建立基于球摆模型的充液航天器多体耦合系统动力学模型，深入研究了这一复杂的动态现象。 核心研究方法是首先推导出系统的运动方程，利用Melnikov积分技术来预测受扰系统的稳定性边界。Melnikov积分是一种用于判断非线性系统中稳定和不稳定流形相交情况的重要工具，它能提供一种解析的混沌运动判据，这对于航天器的设计者来说，意味着可以通过这个判据预测系统可能发生的混沌行为，从而在设计初期就避免或控制混沌现象。 研究结果显示，混沌行为的出现受到航天器刚体形状、阻尼值、充液比以及柔性附件扭转振动频率等因素的显著影响。特别地，即使在完成被动再定向姿态机动后，由于液体晃动的非线性特性，充液航天器最终可能会表现出大章动角的周期极限环运动，而非简单的绕最大惯量轴自旋。 本文的成果对于理解非刚体航天器的复杂姿态机动行为具有理论价值，对于实际应用，如卫星设计和控制策略制定具有重要的工程指导意义。尽管数值模拟可以提供部分见解，但解析方法如Melnikov积分能更深入揭示混沌现象的本质，减少在复杂系统分析中的误差。因此，该研究不仅提升了我们对柔性航天器动态行为的认识，也为航天器的姿态控制提供了新的理论基础和技术支持。