复杂环境下大型挠性航天器的振动抑制与能量采集

该研究提出使用非线性能量阱(Nonlinear Energy Sink, NES)对复杂环境下的大型挠性航天器进行振动抑制，并利用超磁致材料(Giant Magnetostrictive Materials, GMM)采集NES耗散的振动能，达到节约能源的效果。考虑太阳光压和热冲击的影响，建立Hamilton体系下大型挠性航天器的在轨动力学模型。根据Newton动力学定律得到NES的振动抑制方程，引入Jiles-Atherton模型求得GMM的能量采集表达式。将NES-GMM耦合于航天器的两自由端，利用Galerkin法对整体结构进行离散化，采用Runge-Kutta法进行数值仿真。结果表明NES对航天器的振动抑制效果十分显著，同时GMM能够采集NES耗散的部分振动能，因此该方案是完全可行的，此外适当调整NES和GMM的结构参数还可以提高工作性能。该研究为振动控制与能量采集技术在航天领域的应用提供了新的思路。

近年来随着航天事业的飞速发展，各类航天器所承担的任务也越来越复杂，故需要航天器具有更强的功能性，比如空间太阳能电站需要提供更多的能源，完成更高效的发电；空间机器人需要具备更大的活动范围和更灵活的工作方式等，这些需求都促使航天器向大型化发展[1] [2]。此外为降低发射成本，提高工作效率，低刚度材料逐渐用于大型航天器的设计与制造，因此大型挠性结构在航天领域中得到了非常广泛的应用。

然而大型挠性航天器在轨运行时会受到各种空间干扰的作用，如太阳光压力矩、热冲击、重力梯度力矩等，由于自身大尺寸、高柔度的特性，航天器的内部结构极易产生剧烈振动，因此很多学者针对航天器的结构振动问题展开研究。Malla 讨论了航天器简化模型的不同方案，并进行了相应的动力学分析， 研究结果发现在大姿态角的条件下，姿态运动和结构振动会对航天器的动力学行为产生很大影响[3]。李学府建立了绳系空间太阳能电站的动力学模型，研究了太阳能电站的非线性动力学行为，利用数值仿真得到其动力学响应，结果表明横向振动对太阳能电站的影响远大于轴向振动[4]。McNally 进一步研究了柔性哑铃模型的热环境-结构振动耦合动力学问题，仿真结果表明热环境的变化和温度场的非均匀分布能够导致结构的弯曲变形，同时也会影响自身的姿态运动[5]。

大型挠性航天器的结构振动会使系统产生极大的不稳定性，严重影响正常的在轨运行，因此对航天器进行高效的振动控制是十分必要的， 这引发了许多学者的研究与讨论。

Sabatini 将基于绳索的太阳能电站的功率传输面板简化为欧拉梁，使用推进器和压电装置对太阳能电池板进行振动控制，数值仿真验证