反作用飞轮和控制力矩陀螺等飞轮系统是航天器进行姿态控制的关键执行部件。飞轮系统工作时不可避免地产生微振动扰动,将直接影响高精度航天器平台的指向稳定度和指向精度。当前,飞轮系统的微振动扰动已成为制约高精度航天器平台发展的主要瓶颈之一。随着我国高精度航天任务的快速发展,开展飞轮系统的微振动特性及隔振研究尤为迫切。本文从理论建模、数值仿真和地面实验三个方面,系统深入地研究了航天器飞轮系统的微振动扰动特性、被动隔振方法以及主被动一体隔振等问题。论文的主要工作概括如下:1.建立了反作用飞轮和单框架控制力矩陀螺两类典型飞轮系统的微振动扰动模型,分析了航天器飞轮系统的动力学特性和微振动扰动输出特性。(1)建立了反作用飞轮的微振动扰动模型,分析了反作用飞轮转子-轴承系统的支承刚度特性、结构动力学特性以及扰动输出特性,并揭示了轴承非线性效应对高频扰动输出的影响规律。(2)建立了单框架控制力矩陀螺的微振动扰动模型,分析了单框架控制力矩陀螺转子-轴承系统和框架-轴承系统的组合刚度特性、耦合动力学特性以及扰动输出特性,揭示了转子-轴承系统与框架-轴承系统运动耦合而导致的框架视转动惯量随转子转速的变化规律。通过这部分研究,解决了航天器飞轮系统的动力学建模问题,获取了航天器飞轮系统的结构动力学特性及扰动输出特性,为飞轮系统的隔振设计奠定了理论基础。2.分别提出了针对单个反作用飞轮、反作用飞轮群组以及单框架控制力矩陀螺群组的被动隔振方法;并提出了航天器飞轮系统被动隔振的优化设计方法。(1)针对单个反作用飞轮提出了一种采用折叠梁结构的被动隔振装置,建立了反作用飞轮与隔振装置耦合系统的动力学模型。分析了耦合系统的结构动力学特性和隔振性能,仿真结果表明:当飞轮转速超过3000rev/min时,该隔振装置可将转子不平衡引起的扰动降低平均70%以上。(2)针对反作用飞轮群组提出了一种全向被动隔振平台;建立了反作用飞轮群组与隔振平台耦合系统的动力学模型。分析了耦合系统的结构动力学特性和隔振性能,揭示了由反作用飞轮转速工况变化引起的复杂陀螺效应而导致的模态交换现象。(3)针对单框架控制力矩陀螺群组提出了一种全向被动隔振平台;建立了单框架控制力矩陀螺群组与隔振平台耦合系统的动力学模型。分析了耦合系统的结构动力学特性和隔振性能,揭示了单框架控制力矩陀螺框架角度变化引起的复杂陀螺效应及惯量分布变化而导致的结构动力学不对称特性。(4)提出了航天器飞轮系统被动隔振的优化设计方法;建立了反作用飞轮群组与隔振平台耦合系统的优化设计模型,推导了耦合系统结构灵敏度的解析模型,数值仿真表明,经过优化设计后,隔振系统的隔振性能得到大幅提升,动力学特性也得到较大改善,各方向的运动解耦,降低或消除了系统的复杂耦合振动。通过这部分研究,解决了航天器单个飞轮和飞轮群组的被动隔振设计问题,为航天器飞轮系统的被动隔振奠定了重要的技术基础。3.提出了针对单个飞轮系统、飞轮群组的主被动一体化隔振方法,证明了主被动一体化方法对变转速飞轮系统隔振的有效性。(1)针对单个反作用飞轮,提出了一种采用压电智能结构的主被动一体化隔振方法;建立了反作用飞轮与隔振装置耦合系统的动力学与控制模型。仿真结果表明,该压电型主被动一体隔振装置具有除轴向扭转的五自由度控制能力,且能有效抑制耦合系统在临界转速区的共振峰值,降低扰动力和扰动力矩输出。(2)针对反作用飞轮群组,提出了一种采用音圈电机的主被动一体化的隔振方法;针对反作用飞轮群组与隔振平台耦合系统的动力学与控制模型,指出了耦合系统动力学特性与飞轮转速密切相关的特点,并有针对性地设计了H∞控制器。仿真结果表明,该音圈型主被动一体隔振装置具有六自由度控制能力,且能够有效降低耦合系统在低速范围内的扰动力和扰动力矩输出。通过这部分研究,解决了航天器单个飞轮和飞轮群组的主被动一体隔振设计问题,为航天器飞轮系统的智能隔振奠定了重要的技术基础。4.开展了航天器飞轮系统的微振动特性及隔振的地面实验研究。(1)基于扰动力的直接测量方法,开展了反作用飞轮和单框架控制力矩陀螺微振动扰动的地面测试实验,掌握了飞轮系统的微振动特性,验证了所建立的扰动模型的正确性。(2)设计并研制了反作用飞轮的被动隔振装置,利用该装置,开展了反作用飞轮隔振系统的结构动力学特性试验和隔振性能实验,验证了所建动力学模型的正确性和所提隔振方法的有效性。通过这部分研究,解决了航天器飞轮系统微振动特性及隔振的地面试验研究方法问题,为航天器飞轮系统隔振装置的设计、研制与应用奠定了重要的技术基础。