太阳帆航天器动力学与控制

姿态动力学大作业

反作用飞轮控制一、（1）建立航天器姿态动力学方程和飞轮控制规律如图1-1中，图1-1 反作用飞轮系统设三飞轮的质心重合与星体质心O 。三飞轮的轴向转动惯量分别为z y x J J J ,,。其横向转动惯量设已包含在星体惯量章量c I 内。星体角速度ω，飞轮相对于星体的角速度记为： [ ] T z y x ΩΩΩ=Ω 星体与飞轮的总动量矩h 为： () ωωωωωωh h I I I I h b c +=Ω+?=Ω+?+?= （1-1）式中， Ω ?=?=+=???? ? ?????=????? ?????=ωωωωωI h I h I I I J J J I I I I I b c z y x z y x 00 000 0000 易知，I 即星体与飞轮对点O 的总惯量章量，b h 即飞轮无转动时总动量矩，ωh 即飞轮转动时的相对动量矩。由动量矩定理得 e b b L h h h h h =?++?+=? ? ? ωωωω

? ? ??? ? Ω?Ω?Ω?-=-=+=?+?+? ? ? ? ? z z y y x x c e c b b J J J h L L L h h h ωωωω （1-2）式中，e L 为外力矩，c L 为飞轮转轴上电机的控制力矩。式（1-2）就是装有反作用飞轮的刚性航天器动力学方程的矢量形式。如定义星体轨道坐标系如图1-2所示，图1-2 轨道坐标系 r r r z y ox 的角速度 r ω为 j n r -=ω 即轨道角速度。当为圆轨道时，则有 3 2R n μ = 式中μ为地球引力常数，R 为地球半径。如记ψθ?,,分别为星体滚转角、俯仰角与偏航角、且设ψθ?,,和? ? ? ψθ?,,均为小量。当航天器相对于轨道坐标系按321旋转时角度旋转矩阵为： ???? ? ????? -++--=?θ? ψ?θψ? ψ?θψ?θ?ψ?θψ? ψ?θψθθ ψθψcos cos sin cos cos sin sin sin sin cos sin cos sin cos cos cos sin sin sin cos sin sin sin cos sin cos sin cos cos B 按321旋转时产生的角速度为：

柔性机器人的动力学研究

柔性机器人的动力学研究摘要：现代机械向高速、精密、轻型和低噪声等方向发展，为了提高机械产品的动态性能、工作品质，必须十分重视机构动力学的研究。特别对于高速运行的机器人，在外力与惯性力作用下，构件的弹性变形不可忽略，它不仅影响了机构的轨迹精度和定位精度，破坏系统运行的稳定性和可靠性，同时降低了工作效率和整机的使用寿命。对有害动态响应的消减是机械动力学研究的重要问题。本文以柔性机器人为例，阐述了柔性机器人动力学分析的研究现状及其发展趋势，对Lagrange法，有限元法、变Newton-Euler方法、Kane方法等方法进行了详细阐述和比较为柔性机器人的控制和优化设计提供科学基础。关键字：柔性机器人动力学Lagrange 变Newton-Eule方法Kane方法有限元法 Dynamics of Flexible Manipulators Name: Liu Fuxiu Student ID: 1211303007 (Mechanical Engineering of Guangxi University, Mechanical Design and Theory 12 research) Abstract:The modern machinery to speed, precision, lightweight, and low noise direction, in order to improve the dynamic performance and quality of work of mechanical products, Research into the dynamics must be attached great importance to institutions. Especially for high-speed operation of the robot, under the external force and inertial force, the elastic deformation member can not be ignored, it only affects the body path accuracy and positioning accuracy, destroy the stability and reliability of the system, while reducing the efficiency and whole life. Abatement of hazardous dynamic response is an important issue of mechanical dynamics. In this paper, flexible robot, for example, describes the flexible robot dynamics analysis of present situation and development trend of the Lagrange method, finite element method, variable Newton-Euler method, Kane method and other methods were described in detail and compared to the flexible robot control and optimize the design to provide a scientific basis. Keywords: flexible robot dynamics Lagrange Newton-Euler method FEM method Kane finite element method 1 引言现代科学技术的发展和进步产生了机器人，机器人是机器进化和技术进步的必然结果，而机器人技术有促进生产力的发展。“机器人”源于捷克语“robota”，意思为工作。美国机器人协会对它的定义是:“机器人是一种可再编程的多功能操作机，可以用各种编程的动作完成多种作业，用于搬运材料、工件、工具和专用装置”。自从1959年的Unimation公司推出第一台工业机器人以来，各种机器人或机械手广泛运用于许多领域。它们可以替代人类劳动，完成各种精密、繁重环境恶劣，甚至是危险的任务。机器人动力学主要研究机器人机构的动力学，机器人机构包括机械结构和驱动装置，它是机器人的本体，是机器人实现各种功能运动和操作任务的执行机构，也是机器人系统中的被控对象。对机器人动力学的研究，应该说，在机器人一出现就已经开始，且随着机器人技术的发展而不断地加以丰富和积累。机器人动力学与其他一般力学、机构动力学比较，它与现代控制技术和计算技术更为密切相关。设计机器人的控制系统，以及实时控制机器人本身的过程中，不可避免地要运用现代计算技术，因此对于动力学的研究必须适应现代计算技术，并需要解决一系列新的问题。如何合理有效地降低机器人的机构重量，成为削减机器人系统总重量的关键所在，近年来，国际竞争越来越激烈，用户在希望成本降低的同时，对机器人的精度、工作速度、负载能力也提出了越来越高的要求。然而，机构的惯性力和角速度的平方成正比，随着工作速度的不断提高，惯性力将成为柔性机械臂变形的主要影响因素。因此，必须尽可能精确地分析机器人在高速情况下的运动动力学特性，从而有效地提高其精度，以上诸多因素导致了柔性机器人及其设计理论的出现。

一组有关能源和太阳帆的物理习题

一组有关能源与太阳帆的物理习题（附答案）卢宗长 1.一质量为M 的汽艇，在静水中航行时能达到的最大速度为10m/s 。假设航行时，汽艇的牵引力F 始终恒定不变，而且汽艇受到的阻力f 与其航速v 之间，始终满足关系：f=kv ，其中k =100N ·s/m ，求：（1）该汽艇的速度达到5m/s 的瞬时，汽艇受到的阻力为多大？（2）该汽艇的牵引力F 为多大？（3）若水被螺旋桨向后推出的速度为8m/s ，汽艇以最大速度匀速行驶时，在3秒钟之内，估算螺旋桨向后推出水的质量m 为多少? （提示：①推算水的质量时，可以将水的粘滞力忽略；②以上速度均以地面为参考系） 2. (08北京卷)风能将成为21世纪大规模开发的一种可再生清洁能源。风力发电机是将风能（气流的功能）转化为电能的装置，其主要部件包括风轮机、齿轮箱，发电机等。如图所示。（1）利用总电阻10R =Ω的线路向外输送风力发电机产生的电能。输送功率0300kW P =，输电电压10kW U =，求异线上损失的功率与输送功率的比值; （2）风轮机叶片旋转所扫过的面积为风力发电机可接受风能的面积。设空气密度为p ，气流速度为v ，风轮机叶片长度为r 。求单位时间内流向风轮机的最大风能P m ;在风速和叶片数确定的情况下，要提高风轮机单位时间接受的风能，简述可采取的措施。（3）已知风力发电机的输出电功率P 与P m 成正比。某风力发电机的风速v 19m/s 时能够输出电功率P 1=540kW 。我国某地区风速不低于v 2=6m/s 的时间每年约为5000小时，试估算这台风力发电机在该地区的最小年发电量是多少千瓦时。 3. (07北京卷)环保汽车将为2008年奥运会场馆服务。某辆以蓄电池为驱动能源的环保汽车，总质量m ＝3×103 kg 。当它在水平路面上以v ＝36 km/h 的速度匀速行驶时，驱动电机的输入电流I ＝50 A ，电压U ＝300 V 。在此行驶状态下 ⑴求驱动电机的输入功率P 电； ⑵若驱动电机能够将输入功率的90%转化为用于牵引汽车前进的机械功率P 机，求汽车所受阻力与车重的比值（g 取10 m/s 2）； ⑶设想改用太阳能电池给该车供电，其他条件不变，求所需的太阳能电池板的最小面积。结合计算结果，简述你对该设想的思考。

可展开太阳帆技术概述

可展开太阳帆技术概述刘宇艳李学涛杜星文太阳帆航行的构想和原理太阳帆以太阳光光压为推进动力，是一种独特的推进方式，它超越了对反应物料的依赖。其工作原理是：利用太阳帆将照射过来的太阳光（光子）反射回去，由于力的作用是相互的，太阳帆在将光子“推”回去的同时，光子也会对太阳帆产生反作用力，从而推动飞船前进。装有太阳帆的航天器不需要火箭，也不需要燃料，只需展开一个仅有100个原子厚的巨型超薄航帆，即可从取之不尽的阳光中获得持续的推力飞向宇宙空间，而且只要几何形状和倾角适当，太阳帆可以飞向包括光源在内的任何方向。太阳帆扩大了太空行动的范围，使新的空间探测构想成为可能，而这些构想对于常规推进动力来说是根本不可能的。我们知道，光是由没有静态质量但有动量的光子构成的，当光子撞击到光滑的平面上时，可以像从墙上反弹回来的乒乓球一样改变运动方向，并给撞击物体以相应的作用力。除了由入射光子传送到太阳帆上的动量之外，被反射的光子也在太阳帆上施加了反作用力。因此，通过将入射光子和反射光子产生的力相叠加，则作用在太阳帆上的总力几乎垂直指向它的表面。通过控制相对于太阳位置线的太阳帆方位，太阳帆可以获得或者释放轨道角动量。这样，太阳帆就能够向内或向外螺旋式上升穿越太阳系。单个光子所产生的推力极其微小，在地球到太阳的距离上，光在1m2帆面上产生的推力还不到一只蚂蚁的重量。因此，为了最大限度地从阳光中获得加速度，太阳帆必须建得很大很轻，而且表面要十分光滑平整。对于一个典型的太阳帆来说，整个飞行器单位面积上的质量可以从20g/m2（近距离航行）到0.1 g/m2（远距离星际航行）。太阳帆不但要有较小的自身荷载，而且也要具备近乎完美的反射面，才能使转换到太阳帆上的动量几乎是入射光子所传送的动量的两倍。由于单个光子所传送的动量非常小，为了拦截大量的光子，太阳帆必须有一个大的表面积。如果太阳帆的直径为300m，其面积则为70686 m2，由光压获得的推力为340N。根据理论计算，这一推力可使重约0.5t的航天器在200多天内飞抵火星。若太阳帆的直径增至2000m，它获得的15000N推力就能把重约5t的航天器送到太阳系以外。由于来自太阳的光线提供了无尽的能源，携有大型太阳帆的航天器最终可以67km/s的速度前进。这个速度要比当今以火箭推进的航天器快4～6倍。太阳帆航行研究的发展历史和现状虽然太阳帆航行只是在近年来才被看作是一种实用的航天器推进方法，但是它的基本思想却由来已久。著名天文学家开普勒在400年前就曾设想不携带任何能源，仅仅依靠太阳光能就可使宇宙飞船驰骋太空。1873年，苏格兰物理学家麦克斯韦从理论上说明了光压的存在。1900年，俄罗斯的物理学家进行了准确的实验，测得了光压的存在。1924年，俄罗斯航天事业的先驱齐奥尔科夫斯其同事桑德明确提出了“用照射到很薄的巨大反射镜上的阳光所产生的推力获得宇宙速度”。正是桑德首先提出了太阳帆——包在硬质塑料上的超薄金属帆的设想，成为今天建造太阳帆的基础。 1973年，美国航宇局（NASA）出资资助巴特尔实验室进行太阳帆航行的初步研究。近

姿态动力学作业

基于脉宽调制器的喷气姿态控制系统

一．题目 1) 建立三轴稳定对地定向航天器的姿态动力学和姿态运动学模型 2) 设计基于PD+脉宽调制器形式的喷气姿态控制系统 3) 完成数学仿真具体要求： (1)建立对地定向刚体航天器的三轴稳定姿态动力学和姿态运动学模型。 2222 2 2 512kg m ,308kg m ,620kg m 16kg m ,12kg m ,14kg m x y z xy xz yz I I I I I I =?=?=?=?=?=? 设航天器在圆轨道上运行，轨道角速度00.0011rad/s ω= 要求姿态动力学动力学采用欧拉方程，姿态运动学模型采用zyx 顺序欧拉角的姿态运动学方程； (2)假设姿态推力器的数学模型为理想的继电器特性；姿态推力器的标称推力为4N(设计情况B)，在各轴上的力臂分别为1m 、1.25m 和1.5m 。 (3)设计PD+脉宽调制器形式的数字式喷气控制器，要求姿态角控制精度优于 0.5deg 。设计情况B ：控制周期为250ms ，控制系统的调整时间低于10s ，阻尼比为07。 (4)在设计控制器参数时，要考虑采样-保持环节对控制性能的影响。(建议将采样-保持环节等效为s 域的传递函数，按连续控制系统的方法进行设计)。 (5)对上述设计结果进行数学仿真。比较在有/无最小脉宽限制两种情况下控制精度和燃料消耗的情况。设推力器的最小脉冲宽度为30ms 。 (6)设卫星在三轴方向受到常值的气动干扰力矩，分别为 0.01Nm,0.005Nm,0.02Nm dx dy dz T T T === 重新设计控制器，以满足控制精度的要求。并给出数学仿真结果

太阳帆自旋展开动力学地面模拟试验研究

第28卷第2期2015年4月振一动一工一程一学一报 Journal of Vibration En g ineerin g Vol.28No.2 A p r.2015 太阳帆自旋展开动力学地面模拟试验研究周晓俊,周春燕,张新兴,胡海岩 (北京理工大学宇航学院飞行器动力学与控制教育部重点实验室,北京100081) 摘要:太阳帆自旋展开是一项新的空间技术三它利用自旋离心力展开折叠的太阳帆薄膜,并使其保持展开后的位形,从而可省略额外支撑结构,有效减少结构重量,降低展开能耗三在这项技术进行在轨试验和用于航天任务之前,必须对其进行充分的动力学地面模拟试验三介绍了如何设计和研制太阳帆自旋展开与控制系统,制作了不同的太阳帆模型,分别在常规气压下和真空舱中进行太阳帆自旋展开动力学地面模拟试验三通过多组试验,得到了可完整二稳定展开太阳帆模型的方法三试验时在真空舱底部和侧面布置两台高速相机,拍摄各个时段的展开过程三经过图像处理和分析,得到了第一展开阶段帆面展开长度随时间的变化关系和第二展开阶段的帆面动态响应三通过建立简化的动力学模型并进行分析,解释了第二展开阶段帆面产生较大面内外振动的原因三关键词:航天器;地面模拟试验;太阳帆;展开;自旋中图分类号:V416.6一一文献标志码:A一一文章编号:1004-4523(2015)02-0175-08 DOI:10.16385/https://www.360docs.net/doc/8b2598185.html,ki.issn.1004-4523.2015.02.001 引一言进入21世纪以来,人类的深空探测活动范围不断扩大,类型趋向多样化,对新型推进技术的需求也日益增加三太阳帆飞行器利用太阳光的光压实现推进,无需携带附加燃料,可使经济便捷的深空探测梦想成为可能[1~3]三因此世界各国航天机构,包括俄罗斯巴巴金空间研究中心二俄罗斯空间研究所二美国国家航空航天局(NASA)二欧洲航天局(ESA)二德国航空航天所(DLA)和日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)等都开展了太阳帆研究三1993年,俄罗斯在经过长期理论研究以及地面模拟试验之后,成功研制出直径为20m的Znan y a-2号空间反射镜[4],但接下来进行的直径为25m的Znan y a-2.5号展开试验却失败了三欧洲空间局和德国宇航研究院合作,于1999年研制出20m?20m的太阳帆模型,并成功进行了地面展开模拟试验[5]三2001年,美国行星协会发射了宇宙1号航天器[6]三这是在世界上首次使用太阳帆推进技术的航天飞行器,此后美国又有若干这方面的计划,但要么失败了,要么尚未实施[7]三令人可喜的是,2010年日本JAXA成功发射了伊卡洛斯号(IKAROS)太阳帆航天器[8],验证了太阳帆推进技术三中国在太阳帆航天器研究方面起步较晚,但近年来日益重视三中国航天科技集团二北京航空航天大学二哈尔滨工业大学二清华大学二中国科学院空间科学与应用研究中心等单位就太阳帆航天器的轨道控制,姿态控制问题等进行了若干理论和计算研究[9~13]三太阳帆推进技术的关键之一是如何在太空中展开大型太阳帆并保持其展开后的形面三为了降低结构重量,人们提出了自旋展开技术,依靠太阳帆角点上的集中质量产生离心力,实现帆面展开和形面保持三太阳帆自旋展开技术在结构动力学与控制方面具有以下难点:太阳帆薄膜在自旋展开中会产生位于自旋平面内二外的振动,若控制不恰当,很容易使薄膜发生危险的面外运动,导致展开过程彻底失败三作者所在实验室建立了太阳帆薄膜结构的多柔体动力学模型,计算了自旋展开动力学问题[14,15]三本文则介绍如何依据自旋展开原理,设计缩比的太阳帆模型二自旋展开装置等,并通过地面模拟试验对太阳帆自旋展开过程的动力学特性进行研究,试图为理论建模和数值模拟提供试验验证,进而为中国太阳收稿日期:2013-12-18;修订日期:2014-06-27 基金项目:国家自然科学基金资助项目(51075032,11290150)

柔性多体动力学建模

柔性多体动力学建模、仿真与控制近二十年来，柔性多体系统多力学（the dynamics of the flexible multibody systems）的研究受到了很大的关注。多体系统正越来越多地用来作为诸如机器人、机构、链系、缆系、空间结构和生物动力学系统等实际系统的模型。huston认为： “多体动力学是目前应用力学方面最活跃的领域之一，如同任何发展中的领域一样，多体动力学正在扩展到许多子领域。最活跃的一些子领域是：模拟、控制方程的表述法、计算机计算方法、图解表示法以及实际应用。这些领域里的每一个都充满着研究机遇。”多柔体系统动力学近年来快速发展的主要推动力是传统的机械、车辆、军械、机器人、航空以及航天工业现代化和高速化。传统的机械装置通常比较粗重，且*作速度较慢，因此可以视为由刚体组成的系统。而新一代的高速、轻型机械装置，要在负载/自重比很大，*作速度较高的情况下实现准确的定位和运动，这是其部件的变形，特别是变形的动力学效应就不能不加以考虑了。在学术和理论上也很有意义。关于多柔体动力学方面已有不少优秀的综述性文章。在多体系统动力学系统中，刚体部分：无论是建模、数值计算、模拟前人都已做得相当完善，并已形成了相应的软件。但对柔性多体系统的研究才开始不久，并且柔性体完全不同于刚性体，出现了很多多刚体动力学中不呈遇到的问题，如：复杂多体系统动力学建模方法的研究，复杂多体系统动力学建模程式化与计算效率的研究，大变形及大晃动的复杂多体系统动力学研究，方程求解的stiff数值稳定性的研究，刚柔耦合高度非线性问题的研究，刚-弹-液-控制组合的复杂多体系统的运动稳定性理论研究，变拓扑结构的多体系统动力学与控，复杂多体系统动力学中的离散化与控制中的模态阶段的研究等等。柔性多体动力学而且柔性多体动力学的发展又是与当代计算机和计算技术的蓬勃发展密切相关的，高性能的计算机使复杂多体动力学的仿真成为可能，特别是计算机的功

挠性航天器基于https://www.360docs.net/doc/8b2598185.html,b&matlab的姿态控制仿真

挠性航天器基于https://www.360docs.net/doc/8b2598185.html,b&matlab的姿态控制仿真董龙雷韩义（西安交通大学航天航空学院，西安，710049） Simulation on Attitude control of Flexible Spacecraft based on https://www.360docs.net/doc/8b2598185.html,b&matlab DONG Long-lei, HAN Yi (School of Aeronautics,Xi’an Jiaotong University,Xi’an 710049, China) 摘要：采用仿真软件https://www.360docs.net/doc/8b2598185.html,b建立中继卫星的CAE模型，选取大挠度太阳能帆板和天线臂为柔性体，建立无重力状态下刚柔耦合的多体模型，并实现了与matlab联合控制，形成了一个虚拟控制仿真平台。控制任务是使卫星平台按照预定的运动规律实现大角度姿态机动，保持星体的稳定并且有效地抑制弹性附件的振动。仿真结果证明该方法的可行性和有效性。关键词：https://www.360docs.net/doc/8b2598185.html,b matlab 挠性航天器姿态控制 Abstract: Simulation software https://www.360docs.net/doc/8b2598185.html,b is used to model the Track and Data Relay Satellite. Rigid-flexible coupled multi-body analysis model of satellite in weightless environment is obtained, with centre body of satellite and transmission antenna selected as rigid bodies, flexible solar board and antenna arm selected as flexible structures. The model can be controlled with software Matlab, so a virtual control simulation Platform is established. Task of control is to turn the attitude of satellite in a large angle, meanwhile, keep the satellite stable, and restrain the vibration of solar board effectively. Simulation result proved this method is feasible and effective. Key words:https://www.360docs.net/doc/8b2598185.html,b matlab Flexible Spacecraft Attitude Control 引言航天器通常带有大型挠性结构，如大尺度天线，太阳能帆板及空间桁架等。在轨运行航天器常常会进行轨道转移，大角度姿态机动以及其挠性附件的大角度机动等，这类刚体运动可能激起其挠性附件的大幅度弹性变形运动，且这两种运动相互耦合，使这种航天器的动力学行为非常复杂[1-2]。对挠性航天器姿态控制的研究通常是针对于挠性附件固接于星体上的情形，主要研究在挠性附件产生弹性振动时星体姿态的稳定控制及弹性附件的振动抑制问题。本文采用LMS仿真软件https://www.360docs.net/doc/8b2598185.html,b建立挠性航天器多体动力学模型，并以中继卫星为例，建立无重力状态下刚柔耦合多体动力学模型，设计了输入成形前馈控制+PD反馈控制器，形成了一个虚拟仿真控制平台。并据此实现了平台与Matlab的联合仿真实时控制研究。

姿态动力学

反作用飞轮整星零动量轮控系统（七B）

目录 1 基本内容 (3) 2 模型的建立 (3) 2.1系统控制框图 (3) 2.2姿态动力学模型 (4) 2.3 控制器设计 (5) 2.4 执行机构 (6) 2.5 建模结果 (7) 3 仿真实现 (8) 3.1 无干扰力矩 (8) 3.2 干扰力矩作用 (11) 3.3 飞轮故障的问题解决 (14)

1 基本内容（1）建立带有飞轮的三轴稳定对地定向航天器的姿态动力学和姿态运动学模型。（2）设计PD或PID控制器的轮控系统。（3）完成数学仿真和分析。 2 模型的建立典型航天器的姿态控制系统模型主要包括姿态动力学，姿态运动学，控制器，轨道动力学和空间环境五大基本模块。根据题目要求，对于本列，主要从被控对象字体动力学模型，执行机构和控制器三方面入手进行模型的建立。以欧拉角为姿态参数，姿态动力学采用基于陀螺体的多刚体姿态动力学方程，姿态运动学模型采用zyx顺序欧拉角的姿态运动学方程。控制器采用PD控制率。执行机构采用4斜装的反作用飞轮构型方案。 2.1系统控制框图如图1所示，其中姿态动力学模块和姿态运动学模块是描述系统模型的最基本模块，姿态动力学模块提供系统的动力学计算，姿态运动学模块提供不同姿态描述之间的转换关系，控制器模块是待设计的控制律模块，执行机构获得期望力矩信号，输出控制力矩。图1 整星零动量轮控系统框图

2.2姿态动力学模型考虑刚体固连坐标系下，转动角速度分量为[ ]T z y x ωωωω=，转动惯量为 I ，c T 为控制力矩，d T 为干扰力矩，U 为安装矩阵。则建立的欧拉动力学方程为 d w w T Uh h U I I =+++??ωωωω 对上式进行变形得到表达式： ()w w d Uh h U I T I ??----=ωωωω 1 （1）然后对ω 积分得到转动角速度ω。然后利用simulink 模块搭建动力学模块，如图2所示图2 同理可完成运动学模块的设计，航天器采用zyx 顺序旋转的欧拉角参数来描述星体坐标系相对轨道坐标系的姿态，则星体姿态角速度矢量ω在星体坐标系下的分量列阵可写为 0sin sin cos sin sin sin sin sin cos cos sin cos cos cos sin 0sin cos cos 0sin 01 ωψθ?ψ?ψθ?ψ?ψθψθ??θ? ?θ?θωωωω???? ? ?????+-+-????????????????????--=??????????= z y x 将上式变形的： ????? ????????????+????????? ?+-+???? ??????--=??????????-z y x ωωωωψθ?ψ?ψθ?ψ?ψθ?θ??θ?θψθ? 01 sin sin cos sin sin sin sin sin cos cos sin cos cos cos sin 0sin cos cos 0sin 01

[航天器,三维动画,太阳]太阳帆航天器三维动画可视化仿真平台的设计与实现

太阳帆航天器三维动画可视化仿真平台的设计与实现 0 引言太阳帆航天器是一种在深空探测和星际航行等领域极具潜力的新型航天器，利用太阳光压产生持续推力，给航天器提供持续动力，本身无需携带大量的燃料，因此在深空探测和星际航行等航天领域具有广阔的应用前景，近年来受到国际航天界的广泛关注。美国宇航局(NASA)、日本宇航局(JAXA)、欧洲航天局(ESA)等多个世界研究机构正在研制利用太阳帆航天器进行推进任务(如Pole Site、Geosail、Geostorm等)，但是，离利用太阳帆进行深空探测及星际航行还有一定的距离，还有一系列的关键技术需要攻克。针对太阳帆航天器进行一次太空航行任务，需要高额的成本，本文提供了一种经济且有效的方式，研究并开发了一套三维可视化仿真平台，利用仿真平台模拟太阳帆航天器的飞行情况，为实际太阳帆航天器飞行提供一定的参考。截止目前，未发现有关太阳帆航天器可视化仿真平台的文献。本文利用C++6.0、Multigen Creator/Vega、及MATLAB等软件相结合搭建了一个太阳帆三维动画可视化仿真平台。利用视点控制及多通道多视点技术分别在不同的通道中观察太阳帆的飞行轨迹及姿态变化;通过VC++与MATLAB的交互编程，利用MAT文件的仿真数据驱动多个物体同时移动;利用Vega和OpenGL混合编程，实现了飞行轨迹及姿态信息实时显示的功能。 1 太阳帆航天器三维动画可视化仿真平台总体设计三维动画可视化仿真系统主要由太空飞行仿真场景及视景仿真模型两大部分构成。飞行仿真场景是指太阳帆所飞行的具体环境;视景仿真模型是指太阳帆航天器的具体结构模型。本文首先利用Creator建立太空环境飞行仿真场景(太空环境)和太阳帆航天器的结构视景仿真模型(flt文件);接着利采用Vega提供的Lynx工具将flt文件导入相应的场景中，然后，进行一系列的初始化工作，并将其储存为应用程序定义文件(ADF)文件;最后，通过MATLAB 计算各个时刻太阳帆的飞行轨迹和姿态数据，并通过载入模型对象的位置及姿态数据，完成对太阳帆的飞行轨迹和姿态变化的三维可视化仿真。 2 仿真软件平台环境和开发中的关键技术 2.1 在Visual C++环境下Vega应用程序的开发 Windows平台上Vega应用程序的开发，利用MFC框架开发程序能够有效地应用Vega函数库，可以极大程度地减小程序开发的工作量。本文采用基于MFC开发Vega应用程序。 2.2 三维动画场景和模型的建立 Multigen Creator是一款专业化的建模软件工具，可以有效地创建交互式实时应用的三维模型及场景。本文利用Creator建立太空环境模型和太阳帆航天器的结构模型。太阳帆航天器的结构主要包括大面积帆膜、支撑机构及中心控制机构等其它附属机构，模型的正面视

柔性多体动力学建模

柔性多体动力学建模、仿真与控制近二十年来，柔性多体系统多力学（the dynamics of the flexible multibody systems）的研究受到了很大的关注。多体系统正越来越多地用来作为诸如机器人、机构、链系、缆系、空间结构和生物动力学系统等实际系统的模型。huston认为：“多体动力学是目前应用力学方面最活跃的领域之一，如同任何发展中的领域一样，多体动力学正在扩展到许多子领域。最活跃的一些子领域是：模拟、控制方程的表述法、计算机计算方法、图解表示法以及实际应用。这些领域里的每一个都充满着研究机遇。” 多柔体系统动力学近年来快速发展的主要推动力是传统的机械、车辆、军械、机器人、航空以及航天工业现代化和高速化。传统的机械装置通常比较粗重，且*作速度较慢，因此可以视为由刚体组成的系统。而新一代的高速、轻型机械装置，要在负载/自重比很大，*作速度较高的情况下实现准确的定位和运动，这是其部件的变形，特别是变形的动力学效应就不能不加以考虑了。在学术和理论上也很有意义。关于多柔体动力学方面已有不少优秀的综述性文章。在多体系统动力学系统中，刚体部分：无论是建模、数值计算、模拟前人都已做得相当完善，并已形成了相应的软件。但对柔性多体系统的研究才开始不久，并且柔性体完全不同于刚性体，出现了很多多刚体动力学中不呈遇到的问题，如：复杂多体系统动力学建模方法的研究，复杂多体系统动力学建模程式化与计算效率的研究，大变形及大晃动的复杂多体系统动力学研究，方程求解的stiff数值稳定性的研究，刚柔耦合高度非线性问题的研究，刚-弹-液-控制组合的复杂多体系统的运动稳定性理论研究，变拓扑结构的多体系统动力学与控，复杂多体系统动力学中的离散化与控制中的模态阶段的研究等等。柔性多体动力学而且柔性多体动力学的发展又是与当代计算机和计算技术的蓬勃发展密切相关的，高性能的计算机使复杂多体动力学的仿真成为可能，特别是计算机的功能今后将有更大的发展，柔性多体必须抓住这个机遇，加强多体动力学的算法研究和软件发展，不然就不是现代力学，就不是现代化。柔性多体系统动力学时多刚体动力学、连续介质力学、结构动力学、计算力学、现代控制理论等构成的一门交叉性、边缘性学科，这门学科之所以能建立和迅速发展是与当代计算机技术的爆炸式发展分不开的。由于近20年来卫星及航天器飞行稳定性、太阳帆板展开、姿态控制、交会对接的需求和失败的教训以及巨型空间站的构建；高速、轻型地面车辆、机器人、精密机床等复杂机械的高性能、高精度的设计要求等，柔性多体系统动力学引起了广泛的兴趣，已成为理论和应用力学的一个极其活跃的领域。

《太空中的绿色动力——太阳帆》阅读理解及答案

2013年中考说明文阅读题精选：太空中的绿色动力——太阳帆太空中的绿色动力——太阳帆 ①太阳光传送光和热，照到人身上，人会感到暖洋洋的，但从来也没有人感觉到太阳光有压力。实际上，太阳光是有压力的，因为光具有两重性，既是电磁波，又是粒子——光子。光线实际上是光子流，当光子流受到物体阻挡时，光子就撞到该物体上，就像空气分子撞到物体上一样，它的动能就转化成对物体的压力。 ②不过，太阳光产生的压力——光压是非常非常小的。不仅人感受不到，就连普通的仪器也测不出来。在地球附近，太阳光照射到一个平整、光亮、能完全反射光的表面时，产生的压力最大，大约是9×10-6牛/平方米，也就是说100万平方米平整光亮的面积上才受到9牛的压力，只相当于一个2分硬币的重量。在地面上，由于重力、大气压力、空气阻力、摩擦力等力的存在，微乎其微的太阳光压力被淹没在这些宏观力的汪洋大海之中。 ③“山中无老虎，猴子称大王。”到了太空中，重力、大气压力、空气阻力、摩擦力等几乎完全消失，太阳光压才有了出头之日。一些具有创新思维的人开始想到利用太阳光压来推动航天器在太空飞行。早在上一世纪初，俄罗斯宇航理论先驱齐奥尔科夫斯基就提出过这一大胆的设想。以后，又有不少科学家进行过研究。然而，只有当科学技术发展到今天的水平，在有强大的火箭把航天器送入太空的条件下，利用太阳光作为航天推进力才有了实现的可能。 ④太阳光压的大小是与接受太阳照射的面积成正比的。受照面积越大，产生的压力越大。为了获得一定的压力，必须有足够大的受照面积，从而引出了太阳帆的概念。 ⑤太阳帆是一种面积很大，表面平整、光滑、无斑点和皱纹的薄膜，一般由聚酯或聚酰亚胺等高分子材料制成，表面镀铝或银，使其具有全反射的特性。 ⑥一块面积为105×105平方米的太阳帆，在太阳光正射下可获得大约100毫牛的力，用它推动100千克的物体，可产生1毫米/平方秒的加速度。这个加速度极其微小，只有地面重力加速度的一万分之一。 ⑦俗话说：“涓涓细流汇成大海，块块碎土堆成高山。”速度等于加速度与时间的乘积，尽管加速度非常小，只要时间足够长，终能达到一定的速度。即使航天器的加速度只有1毫米/平方秒，那么，一天以后，速度达到86.4米/秒;一个月后达到2592米/秒;130天后，就可超过第二宇宙速度，达到11.23千米/秒;一年后可达到31.54千米/秒，足以飞出太阳系，由此可见加速度不在大，时间长则灵。 19、本文的说明对象是：，你认为“太空中的绿色动力”中“绿色”一词的含义是：。(2分) 20、第③段中加点的“这”字指代什么?(1分) 21、太阳帆有哪些特征?请用简要的话概括。(2分) 22、第⑥段运用了哪些说明方法?有什么作用?(3分) 23、本文语言既科学准确，又生动形象。分析下列句中加点词语的表达作用。(4分) (1)在地球附近，太阳光照射到一个平整、光亮、能完全反射光的表面时，产生的压力最大，大约是9×10-6牛/平方米。 (2)到了太空中，重力、大气压力、空气阻力、摩擦力等几乎完全消失，太阳光压才有了出头之日。 19、(2分，每空1分)太阳帆环保、无污染 20、(1分)指代“利用太阳光压来推动航天器在太空飞行”。 21、(2分)具有面积大，表面平整、光滑、无斑点和皱纹，全反射的特性。