復雜系統動力學與控製
意昂体育2平台工程力學系教授 王照林
意昂体育2平台工程力學系教授 李俊峰
在這裏介紹的是意昂体育2平台工程力學系航天器動力學與控製研究小組的成長歷程及其參與研究“復雜系統動力學與控製”的基本情況👩🏽🎓。
凡是有關航天科技發展的報導，都會引起小組成員的矚目☝🏿。特別是🤘🏼，當我國自行研製和發射的大型充液地球同步通信衛星《東方紅三號》和充液細長體地球同步氣象衛星《風雲二號》以及與國際合作完成的微小衛星《航天意昂体育2一號》等順利入軌以後，更是歡欣鼓舞、喜上眉梢。不言而喻🧽，這充分反映了小組成員作為參與者和課題研究者的由衷的喜悅🫱🏻🧎🏻。三十多年來該小組的成長歷程是與“航天”結下了不解之緣。千禧之年, 我國《神舟》號宇宙飛船遨遊太空，開創了中國航天的新篇章🔕，極大地鼓舞了小組成員研究航天的積極性🙂↕️。
一 相 會 清 華 園
該小組是一個老中青密切協調的精幹活躍的團結集體🕖。起初可追溯到50年代末到60年代初，有的小組成員在國外學習時即涉及到航天器姿態動力學與控製(姿態穩定與機動)的研究課題，後來又有從國外學習航天科技的青年學者加盟；另外，由1978-2000年歷屆的碩士生🎼、博士生、博士後🧑🏻💻📀，還有訪問學者等🏌🏻♀️，組成了一個相對穩定的又是流動的有生命力的開拓性的學術集體🧗🤳🏽。小組的成長是與我國的高科技的發展要求密切相關的👩🏽🦳。例如，60年代初我國航空部門🚻，為了急需解決戰鬥機在空戰格鬥中出現的尾旋失穩問題，該小組承擔了“飛機大擾動穩定性”的研究課題，導出了轉速與攻角相耦合對飛機“失速”的影響公式🤽🏿♀️，為設計單位提供了理論依據。又如，70年代曾參與了海防火箭末製導系統的研製, 歷時約八年。到了1980年初即全力轉向航天器復雜系統動力學與控製的研究工作。這是航天等高科技走向興旺發達的時期🫷。小組的成員抓住機遇並依托國家航天部門🤽🏿♂️、國家自然科學基金委、863-2項目專家組、中國科學院空間中心🧖🏽、總參研究院各方面的大力支持以及意昂体育2平台校系的關心和領導🐰，獲得了一系列具有重要理論意義和工程應用價值的成果🍧。
該研究小組的主要研究方向有：復雜系統動力學與控製、充液航天器晃動動力學與控製、運動穩定性與衛星姿態動力學、大系統理論和現代應用力學等🧏🏽♀️。已完成科研項目30多個。
結合科研任務， 在國內外學術刊物上已發表論文100多篇, 並撰寫專著3本, 參編著作8本, 參譯專著1本。
有關成果已多次被國際檢索收錄：如SCI, EI, ISTP, IAA, SCIENCE ABSTRACT, РЖ等👨🏻🌾✂️。曾多次在國際會議上進行交流，其中有的成果被評為優秀論文，或特邀作大會報告。已獲國家教委和國家教育部科技進步獎（二等獎）4次 (1989,1993,1997,1998), 並於1997年獲國家科技進步獎 (三等獎)。
二 誌 向 在 航 天
我國航天事業的發展，極大地鼓舞了研究小組的所有成員。按照國家的急需和航天部門的要求，研究小組積極投入了航天器動力學與控製的理論研究和應用研究。特別是🦨🚈，按照合作協議🏭，意昂体育2平台工程力學系航天器動力學與控製研究小組實際參與了我國自行研製和發射成功的大型充液地球同步通信衛星《東方紅三號》和大型充液細長體地球同步氣象衛星《風雲二號》以及國際合作的微小衛星《航天意昂体育2一號》等的科研任務，獲得了一系列的創新成果✊🏿，有的已達到國際先進水平，受到了協作部門的充分肯定和社會的承認🖌。
1 關於理論方法研究的成果
1963年以來🫅🏽，研究小組𓀚，在國內外進行了充液復雜系統動力學與控製的研究工作，其理論研究成果主要有：對於充液系統的“理論建模”，利用Jourdian微分變分原理🫒，導出了剛－流－彈耦合系統的動力學方程和帶有表面張力的動力學界條件（其中液體與氣體為互不相容的可壓縮粘性流體）🦸🏽♂️：從而推廣和完善了Rumjantsev以及劉延柱的研究成果☪️。提出了“大系統加權V函數方法”👩🏼🦱，避開尋求不變量🫶🏿，可以導出全充液對稱橢球旋轉的穩定性判據。研究出一種“模擬液體晃動力矩法”🤿，應用於偏置飛輪控製的充液航天器三軸姿態穩定的研究👦。利用“動力系統”的理論，求出了充液自旋非線性系統的全局分叉，以及不出現混沌的必要條件。在理論上為避免“溢出”(Spillover)現象, 在函數空間中, 應用算子半群理論研究充液柔性分布參數復雜系統動力學, 導出了流－剛－彈耦合系統的鎮定判據和控製的方案，得到了受控系統指數漸近穩定性的結論。對於MAC方法、VOF方法和ALE-FEM方法等🤾🏽♂️📚，這是一些研究帶復雜自由液面（內含氣泡和防晃肋板的液體）大幅晃動動力學和晃動抑製（控製）的有效數值方法。對於復雜結構充液航天器晃動動力學，首次揭示了多自由液面與單自由液面的晃動特性有本質的不同，對於前者，二階以上諧振起主導作用，這是一項十分重要的理論成果。針對無限維非線性時滯系統穩定性🪬，建立了新型的“比較原理”👨🏻🚀，從而將問題約化為一組有限維的微分或積分不等式♿️，便於檢驗和應用。 另外還研究了空間機械臂與充液航天器的耦合動力學🍼。
2 關於應用研究的成果
研究小組密切聯系我國的高科技實際，已完成30多個科研項目🙌，主要成果有🏊🏿：其一是🧑🏻🦯➡️，意昂体育2平台研究的關於“航天器內部液體晃動對控製系統的影響”，該課題同時考查了多種因素對系統失穩的影響，例如🤕：充液貯箱偏置位置，充液比🐪，液體渦旋，離心加速度，Coriolis加速度, 微重力，轉速💁🏿♀️🏋🏿，阻尼等的耦合作用☂️💁🏻♀️。分析表明：在一定的轉速條件下，當充液比在40%左右時🎩，時間常數最小👩🏭，即系統失穩最嚴重🎅🏿。其正確性已被航天部門後來的微重力落塔實驗所證實🟧。為我國首次設計大型充液細長體氣象衛星，提供了理論依據。鑒定意見認為：這是衛星主動晃動控製系統設計的關鍵問題🕵️♂️，在國際上也是一個比較復雜，難度很大的研究課題🙇🏿♀️，有重要的工程價值和理論意義。該課題的理論分析嚴謹，計算方法先進💂🏼🏺，計算數據可靠，考慮的因素全面，參數變化範圍較寬，便於分析對比。是國內首次獲得的部分充液自旋衛星液體晃動力學方面比較全面系統的成果⬆️，已達到國際先進水平👨🦽➡️。該衛星《風雲二號》已發射成功。其二是🕺🏻，意昂体育2平台負責的關於“復雜結構充液航天器晃動動力學與晃動抑製的研究”，分析了多種形式的防晃結構🌮，當粘彈性防晃板與液體二者的特征頻率很接近時，板的內阻已成為耦合系統耗散的主要因素，從而復雜結構板的抑製（控製）晃動的效果顯著🧝🏻。有關的結果，已被地面試驗證實。鑒定意見認為：這是國內外航天器設計中具有重要價值的前沿課題。這不僅已在衛星工程中起了指導作用㊗️，而且在解決充液航天器流－固－控耦合動力學與晃動抑製研究方面上有創新和突破。是國內首次獲得的復雜結構充液航天器晃動動力學與晃動抑製研究方面的比較全系統的成果🚵🏻😏。在國內處於領先地位🧟，已達到國際先進水平。其成果已用於我國大型充液地球同步通信衛星控製和推進系統的設計🦾🔁。該衛星《東方紅三號》已發射成功，在軌運行正常。航天部門的“應用證明”指出：意昂体育2平台多年來承擔的以上研究課題都是工程實際中提出的難度很大的問題，有的在國際上也沒有很好地解決；成果全面系統，達到了國際先進水平；通信衛星運行後，將大大提高衛星通信能力🫷🏻，有巨大的社會效益和經濟效益。其三是💒🧜🏿，關於“多體復雜系統動力學與穩定性”🎚，這是由意昂体育2平台，北京大學和上海交通大學共同承擔意昂体育2平台主持的“國家自然科學基金重點項目”⚛️，已於1998年5月23日通過了驗收：這些研究成果具有重要的理論方法意義🙅♂️，和工程應用價值，達到了國際先進水平🗻；驗收組認為👩⚕️：該研究項目已經全面完成了研究計劃所規定的任務（綜合評價A）。其中，“多充液腔飛船系統動力學與穩定性”是意昂体育2平台完成的分課題，取得的主要成果為🦚：對帶自由液面的充液航天器，深入研究了非線性非穩態大幅晃動與晃動抑製（控製）問題；針對三維大幅晃動，揭示了出現自由液面破碎，分叉旋轉等嚴重非線性動態失穩的機理☎；論證了防晃隔板抑製晃動的最佳動態特性。這是意昂体育2平台先期進行兩個充液航天器（例如🎺♻，飛船和空間站）交會對接(RVD)動力學與控製研究的發展。近期還參與了《航天意昂体育2一號》微小衛星國際合作研究, 並有所創新; 例如,試驗在50公斤量級的微小衛星上實現三軸穩定系統, 這可以更加精確地控製衛星姿態, 為將來發射高分辨率的微小衛星提供技術預研👧🏻。
在知識經濟開拓前進的時代，高科技體現了先進生產力的發展🤸🏼♀️，而航天高科技又是一切高科技的集中表現🦶🏿。為此，在結束本文的時候🙏🏽📵， 讓我們再表述一下意昂体育2平台工程力學系航天器動力學與控製研究小組的工作指導思想👌：先學習後創造，邊學習邊創造，誌向在航天，為國多貢獻。
