书籍详情
航天器电池阵：天线动力学与控制
作者：蔡国平，刘翔，李海泉，房光强
出版社：科学出版社
出版时间：2023-02-01
ISBN：9787030749666
定价：¥228.00
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内容简介
本书共四篇，分别以航天器空间帆板、大型空间桁架电池阵、大型空间薄膜天线、大型空间平面相控阵天线为对象，介绍它们的动力学与控制的理论与方法。帆板研究内容包括：刚性帆板展开动力学建模与主动控制，柔性帆板展开动力学建模与主动控制，铰摩擦问题。桁架电池阵研究内容包括：展开动力学建模与主动控制，关节间隙问题和摩擦问题，程序设计问题。薄膜天线研究内容包括：褶皱分析，结构动力学建模与振动主动控制，刚柔耦合动力学建模与主动控制，挠性参数在轨辨识技术。平面相控阵天线研究内容包括：形面保持控制技术，空间热载荷分析，振动主动控制，动力学模型等效。本书内容是作者多年来在空间天线和电池阵方面的研究成果汇总，具有系统性、新颖性和先进性。
作者简介
暂缺《航天器电池阵：天线动力学与控制》作者简介
目录
目录
前言
第一篇 空间帆板展开动力学与控制
第1章 绪论 1：空间帆板展开动力学与控制 3
1.1 研究目的和意义 3
1.2 空间帆板展开动力学研究综述 3
1.2.1 多体系统动力学 3
1.2.2 空间帆板展开动力学 7
1.3 空间帆板控制问题研究综述 9
1.4 其他问题的研究 10
1.5 本篇研究内容 11
参考文献 11
第2章 刚性空间帆板展开动力学与控制 16
2.1 引言 16
2.2 刚性帆板系统描述 17
2.2.1 系统描述 17
2.2.2 同步机构 18
2.2.3 锁定机构 18
2.3 多刚体系统动力学与控制 19
2.3.1 系统动力学建模 19
2.3.2 控制设计 26
2.4 数值仿真 28
2.4.1 展开与锁定仿真 29
2.4.2 姿态控制仿真 31
2.5 本章小结 36
参考文献 37
第3章 柔性空间帆板展开动力学与控制 38
3.1 引言 38
3.2 柔性帆板离散化方法 39
3.3 多柔体系统动力学与控制 40
3.3.1 系统动力学建模 40
3.3.2 控制设计 49
3.4 数值仿真 49
3.4.1 ADAMS 仿真 50
3.4.2 本章理论仿真 52
3.4.3 控制仿真 56
3.5 本章小结 58
参考文献 58
第4章 考虑铰摩擦的空间帆板展开动力学 60
4.1 引言 60
4.2 摩擦模型 61
4.2.1 静态摩擦模型 61
4.2.2 动态摩擦模型 64
4.3 考虑铰摩擦的多体系统动力学模型 67
4.3.1 旋转铰的物理模型 67
4.3.2 铰摩擦力计算 68
4.3.3 摩擦贡献与多体系统动力学方程 71
4.4 数值仿真 80
4.4.1 刚性帆板系统 80
4.4.2 柔性帆板系统 82
4.5 本章小结 86
参考文献 86
第二篇 大型空间桁架电池阵展开动力学与控制
第5章 绪论 2：大型空间桁架电池阵展开动力学与控制 91
5.1 研究目的和意义 91
5.2 太阳能电池阵研究进展 95
5.3 问题和挑战 96
5.4 本篇研究内容 97
参考文献 98
第6章 大型空间桁架电池阵展开动力学 101
6.1 引言 101
6.2 桁架–帆板系统介绍 102
6.2.1 可展开桁架 103
6.2.2 柔性帆板 103
6.3 动力学方程 105
6.3.1 广义坐标选择 105
6.3.2 约束方程 109
6.3.3 系统动力学方程 114
6.4 常微分方程数值求解算法 116
6.5 多体系统变拓扑问题 118
6.6 数值仿真 121
6.6.1 模型验证 122
6.6.2 不同变拓扑算法对比 124
6.6.3 系统中各机构参数对展开过程的影响 124
6.7 本章小结 137
参考文献 137
第7章 桁架---帆板系统中的间隙与摩擦问题 140
7.1 引言 140
7.2 接触检测 141
7.2.1 径向接触 142
7.2.2 轴向接触 144
7.3 法向接触力计算 145
7.3.1 刚度项 145
7.3.2 阻尼项 147
7.4 切向摩擦力计算 148
7.5 数值仿真 149
7.5.1 间隙法向力对桁架单元展开的影响 151
7.5.2 间隙法向力对收藏箱的影响 155
7.5.3 间隙法向力对柔性基板的影响 155
7.5.4 间隙摩擦对桁架单元展开的影响 157
7.5.5 间隙摩擦对上收藏箱展开的影响 159
7.5.6 间隙摩擦对柔性基板展开的影响 161
7.6 本章小结 166
参考文献 167
第8章 带有桁架---帆板系统航天器的位姿控制 169
8.1 引言 169
8.2 控制器设计 170
8.3 稳定性分析 172
8.4 数值仿真 175
8.5 本章小结 178
参考文献 178
第9章 基于 C++面向对象的多体系统动力学程序设计 180
9.1 引言 180
9.2 C++面向对象基本概念 181
9.2.1 类和对象 181
9.2.2 继承与多态 182
9.3 程序仿真流程 186
9.3.1 数据输入 186
9.3.2 数据前处理 188
9.3.3 数值求解 189
9.3.4 后处理 190
9.4 通用算例 191
9.4.1 铰接刚性杆在外力牵引与摩擦力作用下的转动 191
9.4.2 柔性板在重力与外力作用下的转动 192
9.4.3 不同单元数的可展开桁架–帆板系统的展开 .193
9.5 本章小结 194
参考文献 195
第三篇 大型空间薄膜天线动力学与控制
第10章 绪论 3：大型空间薄膜天线动力学与控制 199
10.1 研究目的和意义 199
10.2 空间薄膜结构的发展概况 200
10.2.1 薄膜太阳能电池阵 200
10.2.2 薄膜太阳帆 202
10.2.3 空间薄膜天线 203
10.3 空间薄膜结构动力学建模与振动主动控制研究现状 210
10.3.1 空间薄膜结构动力学分析 210
10.3.2 薄膜结构非线性振动特性 212
10.3.3 薄膜结构振动主动控制 213
10.4 本篇研究内容 215
参考文献 216
第11章 空间薄膜结构褶皱分析 223
11.1 引言 223
11.2 薄膜天线结构描述 223
11.3 基于张力场理论的薄膜褶皱分析方法 225
11.4 基于稳定性理论的薄膜褶皱分析方法 227
11.5 数值仿真 229
11.5.1 薄膜天线褶皱分析 229
11.5.2 对角张拉薄膜结构褶皱分析 231
11.6 本章小结 238
参考文献 238
第12章 薄膜天线结构非线性动力学建模与振动控制 240
12.1 引言 240
12.2 考虑大幅振动的结构动力学建模 240
12.2.1 薄膜阵面动力学模型 240
12.2.2 支撑框架/张力撑杆动力学模型 246
12.2.3 张拉索动力学模型 251
12.2.4 薄膜天线结构整体动力学模型 253
12.3 结构非线性动力学模型降阶 254
12.4 结构振动控制 257
12.4.1 基于张拉索作动的控制系统方程 257
12.4.2 基于张拉索作动的控制器设计 258
12.5 数值仿真 259
12.5.1 结构动力学特性仿真 259
12.5.2 结构降阶模型与全阶模型的对比 266
12.5.3 结构振动控制仿真 269
12.6 本章小结 272
参考文献 273
第13章 薄膜天线航天器非线性刚---柔耦合动力学建模与协同控制 275
13.1 引言 275
13.2 非线性刚–柔耦合动力学建模 .276
13.3 姿态–振动协同控制 279
13.3.1 时间–燃料最优控制 280
13.3.2 分力合成控制方法 281
13.3.3 脉冲宽度调制 282
13.4 数值仿真 283
13.4.1 非线性刚–柔耦合动力学特性仿真 283
13.4.2 姿态–振动协同控制仿真 285
13.5 本章小结 290
参考文献 290
第14章 薄膜天线航天器的挠性参数在轨辨识 292
14.1 引言 292
14.2 挠性参数在轨辨识方法 292
14.2.1 特征系统实现算法 292
14.2.2 基于协方差的随机子空间方法 (SSI-COV) 295
14.2.3 虚假模态剔除 300
14.3 数值仿真 302
14.3.1 ERA 的辨识结果 304
14.3.2 SSI-COV 方法的辨识结果 305
14.4 本章小结 307
参考文献 307
第四篇 大型空间平面相控阵天线动力学与控制
第15章 绪论 4：大型空间平面相控阵天线动力学与控制 311
15.1 研究目的和意义 311
15.2 电补偿和机械补偿 312
15.3 星载天线分类和相控阵天线研究现状 314
15.3.1 星载天线分类 314
15.3.2 相控阵天线研究现状 315
15.4 本篇研究内容 317
参考文献 318
第16章 基于变形模式分析的大型空间平面相控阵天线的形面保持控制
技术 321
16.1 引言 321
16.2 平面天线结构描述 322
16.3 结构有限元模型 324
16.4 控制描述 327
16.4.1 扭转变形控制 329
16.4.2 面外弯曲变形控制 330
16.4.3 面内弯曲变形控制 330
16.4.4 复杂变形控制 331
16.5 数值仿真 332
16.5.1 模型验证 332
16.5.2 2 跨结构形面调节 333
16.5.3 18 跨结构形面调节 334
16.6 本章小结 335
参考文献 335
第17章 基于优化方法的大型空间平面相控阵天线的形面保持控制技术 338
17.1 引言 338
17.2 形面控制和作动器优化 339
17.2.1 等效方程 339
17.2.2 设计变量 340
17.2.3 目标函数 340
17.2.4 约束条件 341
17.2.5 最优化模型 342
17.2.6 最优化问题求解 342
17.3 数值仿真 344
17.3.1 2 跨结构 344
17.3.2 18 跨结构 347
17.4 本章小结 349
参考文献 349
第18章 大型空间平面相控阵天线的热载荷分析及形面控制 351
18.1 引言 351
18.2 热载荷分析 353
18.2.1 空间热流 353
18.2.2 热载荷作用下的结构模型 355
18.3 天线结构热致变形分析与形面主动控制 358
18.3.1 结构控制模型 358
18.3.2 最优化控制模型 361
18.3.3 最优化控制问题求解 362
18.4 数值仿真 363
18.4.1 温度场分析方法验证 365
18.4.2 天线结构热致变形仿真 368
前言
第一篇 空间帆板展开动力学与控制
第1章 绪论 1：空间帆板展开动力学与控制 3
1.1 研究目的和意义 3
1.2 空间帆板展开动力学研究综述 3
1.2.1 多体系统动力学 3
1.2.2 空间帆板展开动力学 7
1.3 空间帆板控制问题研究综述 9
1.4 其他问题的研究 10
1.5 本篇研究内容 11
参考文献 11
第2章 刚性空间帆板展开动力学与控制 16
2.1 引言 16
2.2 刚性帆板系统描述 17
2.2.1 系统描述 17
2.2.2 同步机构 18
2.2.3 锁定机构 18
2.3 多刚体系统动力学与控制 19
2.3.1 系统动力学建模 19
2.3.2 控制设计 26
2.4 数值仿真 28
2.4.1 展开与锁定仿真 29
2.4.2 姿态控制仿真 31
2.5 本章小结 36
参考文献 37
第3章 柔性空间帆板展开动力学与控制 38
3.1 引言 38
3.2 柔性帆板离散化方法 39
3.3 多柔体系统动力学与控制 40
3.3.1 系统动力学建模 40
3.3.2 控制设计 49
3.4 数值仿真 49
3.4.1 ADAMS 仿真 50
3.4.2 本章理论仿真 52
3.4.3 控制仿真 56
3.5 本章小结 58
参考文献 58
第4章 考虑铰摩擦的空间帆板展开动力学 60
4.1 引言 60
4.2 摩擦模型 61
4.2.1 静态摩擦模型 61
4.2.2 动态摩擦模型 64
4.3 考虑铰摩擦的多体系统动力学模型 67
4.3.1 旋转铰的物理模型 67
4.3.2 铰摩擦力计算 68
4.3.3 摩擦贡献与多体系统动力学方程 71
4.4 数值仿真 80
4.4.1 刚性帆板系统 80
4.4.2 柔性帆板系统 82
4.5 本章小结 86
参考文献 86
第二篇 大型空间桁架电池阵展开动力学与控制
第5章 绪论 2：大型空间桁架电池阵展开动力学与控制 91
5.1 研究目的和意义 91
5.2 太阳能电池阵研究进展 95
5.3 问题和挑战 96
5.4 本篇研究内容 97
参考文献 98
第6章 大型空间桁架电池阵展开动力学 101
6.1 引言 101
6.2 桁架–帆板系统介绍 102
6.2.1 可展开桁架 103
6.2.2 柔性帆板 103
6.3 动力学方程 105
6.3.1 广义坐标选择 105
6.3.2 约束方程 109
6.3.3 系统动力学方程 114
6.4 常微分方程数值求解算法 116
6.5 多体系统变拓扑问题 118
6.6 数值仿真 121
6.6.1 模型验证 122
6.6.2 不同变拓扑算法对比 124
6.6.3 系统中各机构参数对展开过程的影响 124
6.7 本章小结 137
参考文献 137
第7章 桁架---帆板系统中的间隙与摩擦问题 140
7.1 引言 140
7.2 接触检测 141
7.2.1 径向接触 142
7.2.2 轴向接触 144
7.3 法向接触力计算 145
7.3.1 刚度项 145
7.3.2 阻尼项 147
7.4 切向摩擦力计算 148
7.5 数值仿真 149
7.5.1 间隙法向力对桁架单元展开的影响 151
7.5.2 间隙法向力对收藏箱的影响 155
7.5.3 间隙法向力对柔性基板的影响 155
7.5.4 间隙摩擦对桁架单元展开的影响 157
7.5.5 间隙摩擦对上收藏箱展开的影响 159
7.5.6 间隙摩擦对柔性基板展开的影响 161
7.6 本章小结 166
参考文献 167
第8章 带有桁架---帆板系统航天器的位姿控制 169
8.1 引言 169
8.2 控制器设计 170
8.3 稳定性分析 172
8.4 数值仿真 175
8.5 本章小结 178
参考文献 178
第9章 基于 C++面向对象的多体系统动力学程序设计 180
9.1 引言 180
9.2 C++面向对象基本概念 181
9.2.1 类和对象 181
9.2.2 继承与多态 182
9.3 程序仿真流程 186
9.3.1 数据输入 186
9.3.2 数据前处理 188
9.3.3 数值求解 189
9.3.4 后处理 190
9.4 通用算例 191
9.4.1 铰接刚性杆在外力牵引与摩擦力作用下的转动 191
9.4.2 柔性板在重力与外力作用下的转动 192
9.4.3 不同单元数的可展开桁架–帆板系统的展开 .193
9.5 本章小结 194
参考文献 195
第三篇 大型空间薄膜天线动力学与控制
第10章 绪论 3：大型空间薄膜天线动力学与控制 199
10.1 研究目的和意义 199
10.2 空间薄膜结构的发展概况 200
10.2.1 薄膜太阳能电池阵 200
10.2.2 薄膜太阳帆 202
10.2.3 空间薄膜天线 203
10.3 空间薄膜结构动力学建模与振动主动控制研究现状 210
10.3.1 空间薄膜结构动力学分析 210
10.3.2 薄膜结构非线性振动特性 212
10.3.3 薄膜结构振动主动控制 213
10.4 本篇研究内容 215
参考文献 216
第11章 空间薄膜结构褶皱分析 223
11.1 引言 223
11.2 薄膜天线结构描述 223
11.3 基于张力场理论的薄膜褶皱分析方法 225
11.4 基于稳定性理论的薄膜褶皱分析方法 227
11.5 数值仿真 229
11.5.1 薄膜天线褶皱分析 229
11.5.2 对角张拉薄膜结构褶皱分析 231
11.6 本章小结 238
参考文献 238
第12章 薄膜天线结构非线性动力学建模与振动控制 240
12.1 引言 240
12.2 考虑大幅振动的结构动力学建模 240
12.2.1 薄膜阵面动力学模型 240
12.2.2 支撑框架/张力撑杆动力学模型 246
12.2.3 张拉索动力学模型 251
12.2.4 薄膜天线结构整体动力学模型 253
12.3 结构非线性动力学模型降阶 254
12.4 结构振动控制 257
12.4.1 基于张拉索作动的控制系统方程 257
12.4.2 基于张拉索作动的控制器设计 258
12.5 数值仿真 259
12.5.1 结构动力学特性仿真 259
12.5.2 结构降阶模型与全阶模型的对比 266
12.5.3 结构振动控制仿真 269
12.6 本章小结 272
参考文献 273
第13章 薄膜天线航天器非线性刚---柔耦合动力学建模与协同控制 275
13.1 引言 275
13.2 非线性刚–柔耦合动力学建模 .276
13.3 姿态–振动协同控制 279
13.3.1 时间–燃料最优控制 280
13.3.2 分力合成控制方法 281
13.3.3 脉冲宽度调制 282
13.4 数值仿真 283
13.4.1 非线性刚–柔耦合动力学特性仿真 283
13.4.2 姿态–振动协同控制仿真 285
13.5 本章小结 290
参考文献 290
第14章 薄膜天线航天器的挠性参数在轨辨识 292
14.1 引言 292
14.2 挠性参数在轨辨识方法 292
14.2.1 特征系统实现算法 292
14.2.2 基于协方差的随机子空间方法 (SSI-COV) 295
14.2.3 虚假模态剔除 300
14.3 数值仿真 302
14.3.1 ERA 的辨识结果 304
14.3.2 SSI-COV 方法的辨识结果 305
14.4 本章小结 307
参考文献 307
第四篇 大型空间平面相控阵天线动力学与控制
第15章 绪论 4：大型空间平面相控阵天线动力学与控制 311
15.1 研究目的和意义 311
15.2 电补偿和机械补偿 312
15.3 星载天线分类和相控阵天线研究现状 314
15.3.1 星载天线分类 314
15.3.2 相控阵天线研究现状 315
15.4 本篇研究内容 317
参考文献 318
第16章 基于变形模式分析的大型空间平面相控阵天线的形面保持控制
技术 321
16.1 引言 321
16.2 平面天线结构描述 322
16.3 结构有限元模型 324
16.4 控制描述 327
16.4.1 扭转变形控制 329
16.4.2 面外弯曲变形控制 330
16.4.3 面内弯曲变形控制 330
16.4.4 复杂变形控制 331
16.5 数值仿真 332
16.5.1 模型验证 332
16.5.2 2 跨结构形面调节 333
16.5.3 18 跨结构形面调节 334
16.6 本章小结 335
参考文献 335
第17章 基于优化方法的大型空间平面相控阵天线的形面保持控制技术 338
17.1 引言 338
17.2 形面控制和作动器优化 339
17.2.1 等效方程 339
17.2.2 设计变量 340
17.2.3 目标函数 340
17.2.4 约束条件 341
17.2.5 最优化模型 342
17.2.6 最优化问题求解 342
17.3 数值仿真 344
17.3.1 2 跨结构 344
17.3.2 18 跨结构 347
17.4 本章小结 349
参考文献 349
第18章 大型空间平面相控阵天线的热载荷分析及形面控制 351
18.1 引言 351
18.2 热载荷分析 353
18.2.1 空间热流 353
18.2.2 热载荷作用下的结构模型 355
18.3 天线结构热致变形分析与形面主动控制 358
18.3.1 结构控制模型 358
18.3.2 最优化控制模型 361
18.3.3 最优化控制问题求解 362
18.4 数值仿真 363
18.4.1 温度场分析方法验证 365
18.4.2 天线结构热致变形仿真 368
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