空间太阳能电站在轨组装序列规划研究

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随着航天技术的快速发展,空间任务所需的航天器逐渐具有结构巨大、尺度巨大、构建规模庞大的特点。受运载火箭的推力和装载空间限制,大型空间结构难以一次性发射入轨展开。多次发射入轨、机器人在轨进行组装的方式成为大型空间结构理想的构建方式之一,目前已在学术界获得广泛的关注与研究。组装序列规划是空间在轨组装过程中的关键步骤之一。大型空间结构在轨组装时具有结构固有频率低的结构特性、面临着微重力以及各种空间扰动的复杂空间环境。特定的组装序列有助于提高组装过程中的结构固有频率,避免结构-控制频率耦合、减弱组装过程中的结构振动。大型空间结构的组装序列规划是在轨组装研究中的一个重要课题,合理的组装序列能有效提高空间在轨组装效率和组装精度。本文以空间太阳能电站发射天线为研究对象,针对组装序列规划问题展开了研究,主要内容包括以下几个方面:(1)以多旋转关节空间太阳能电站的在轨组装为例,阐述了空间在轨组装的基本流程,明确了本文在轨组装序列规划的研究对象。建立了几种基本坐标系,介绍了有限元建模的一般步骤。考虑到组装过程中天线几何构型随组装呈渐增式变化、结构动力学模型随组装时变的组装特性,提出了一种基于生死单元的有限元建模方法。相比其他建模方法,本方法更加简单,省去了复杂的有限元节点重复编号过程。(2)结合蚁群算法的特点和天线结构组装过程,提出了一种基于蚁群算法的空间结构组装序列规划方法,并进行了实例仿真,验证了该序列规划方法的有效性。根据天线结构组装过程中结构模型呈现离散变化的特点,对整个组装序列规划任务进行了分解,按组装次数划分成每次组装时组装模块编号的优化问题。从提高空间结构固有频率的角度提出一个序列优化指标,确定了组装中的多个几何约束条件,给出了完整的基于蚁群算法的天线结构装配序列规划的数学模型。通过一个仿真实例验证了所提出的基于蚁群算法的序列规划方法的有效性。(3)分析了蚁群算法寻优的特点,通过混合克隆免疫算法提出了基于蚁群-克隆免疫混合算法的组装序列规划方法。多目标同时优化,同时考虑结构基频最大化以及结构姿态漂移量最小化两个优化目标,构造出新的优化准则。给出了完整的基于蚁群-克隆免疫混合算法的天线结构装配序列规划的数学模型。通过仿真实例以及不同算法之间的比较,验证了所提出的新算法的有效性和高效性。
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