大型平铺贮箱卫星的液体晃动模型与晃动力矩分析.pdf

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1、上海航天AEROSPACESHANGHAI2011年第1期文章编号：1006·1630(2011)01一0018一05大型平铺贮箱卫星的液体晃动模型与晃动力矩分析陆国平1’2，李道奎1，曾擎2(1．国防科学技术大学航天与材料工程学院，湖南长沙410073；2．上海卫星工程研究所，上海200240)摘要：针对高轨气象卫星的远地点发动机点火过程中贮箱内液体晃动与星体耦舍动力学问题，根据流体力学及小幅液体晃动理论，建立可等效的液体晃动力学模型和姿态耦合动力学模型，分析了大型平铺贮箱内液体晃动产生的干扰力矩。研究表明：在远地点发动机点火阶段，液体晃动对卫星将

2、产生较大干扰力矩。关键词：流体力学；平铺贮葙；液体晃动；单摆；晃动力矩中图分类号：V414．1文献标志码：ALiquidSloshingModelandSIoshingTorqueAnalysisOfLargeSate¨itewithTiJedTankLUGuo-pin91”，LIDao-kuil，ZENGQin92(1．CollegeofAerospaceandMaterialEngineering，NUDT，ChangshaHunan410073，China；2．ShanghaiInstituteofSatelliteEngineering，Sh

3、anghai200240，China)Absh’act：Aimtotheliquidsloshingoftankintheprocessofthemotorfiringandsatelliterigid—bodycouplingdynamicsfortheGE0meteorologicalsatellite，theequivalentliquidsloshingmodelandattitudecouplingdynamicsmodelwereestablishedaccordingthetheoryofhydromechanicsandsmallfl

4、uidsloshinginthispaper．ThedistufbancetorquecausedbytheliquidsloshinginIargetiledpropeUanttankwasanalyzed．Thestudyresultsshowedthatthecertaindisturbancetorquewouldbecausedbytheliquid5loshingduringthemotorfiringphase．Keywords：Hydromechanics；T订edtank}LiquidsloshingISinglependulum；

5、SloshingtorqueO引言随着卫星功能的增强和寿命的延长，卫星携带的推进剂质量也日益增大，液体随卫星运动而发生的晃动对卫星产生的影响更明显。航天飞行史上，因对液体运动缺乏透彻研究而发生过卫星姿态失控故障，也出现过因对星上液体晃动影响认识不充分而重新设计控制器、容器结构乃至整星的布局和质量特性。大型卫星采用平铺式贮箱后，晃动产生的干扰力、冲击力和干扰力矩将明显增大，因此研究特定几何形状贮箱中的液体晃动对确定卫星的稳定性、姿态控制系统设计乃至结构设计有重要意义。自20世纪80年代初以来，国内外对充液航天器液体晃动动力学理论和试验进行了大量研究[1

6、。]。本收疆日期：2010一12一08作者简介：陆国平(1963一)，男．研究员，国防科工局空同碎片防护组专家，上海市宇航学会会员，主要从事卫星总体设计．文对有大型平铺贮箱的高轨气象卫星的液体晃动模型与晃动力矩进行了研究。1液体运动的基本方程充液贮箱模型如图1所示。为分析卫星贮箱中液体的运动，需对流体力学基本方程作简化，假设如下：1疋分．J‘L．∥图l充液贮箱模型Fig．1Liquid?fiIIedtankmodeIa)贮箱为旋转对称刚性容器，低重力环境中发2011年第1期陆国平，等：大型平铺贮箱卫星的液体晃动模型与晃动力矩分析动机产生推力方向与贮箱

7、旋转对称轴平行；b)液体燃料为理想不可压缩流体，且无黏性；c)贮箱中液体燃料运动为无旋小幅晃动。据此，小幅液体晃动满足的势流方程及其边界条件为V2Z=O鲁+晏+醇：oa￡2D’6，。丝一芒an．，些一odn在Q中；在Sf上；在sf上；(1)在S，上．式中：z为液体晃动的位移势；喜为自由液面在法线方向的位移；p，』D分别为流体元的压力和密度；g为微重力势；Q为贮箱内流体域；S，为贮箱内液体自由表面；S，为湿润腔壁；n为液面单位法线方向；￡为时间‘引。2贮箱内液体的自由晃动动力学方程对液体晃动的位移势和自由液面上的法向位移进行时空分离，有fz(z，y，z

8、)=∑吼(z，3『，z)·&(￡)；_扣1(2)【喜(z，y，z)一∑‰(z，3，，z)·&(￡)．式中：仍