Dynamic Response of Solar Power Satellite Considering Solar Radiation Pressure

Fangnuan Xu,Qingjun Li,Yi Wei,Zichen Deng,Bo Wang

doi:10.1051/jnwpu/20183620590

Abstract

The attitude and structural vibration of tethered solar power satellite were studied considering solar radiation pressure. Firstly, the simplified model of tethered solar power satellite was established. The solar panel was modeled as an Euler-Bernoulli Beam, the bus was modeled as a particle, and the tethers were modeled as massless springs. The equations of motion were derived based on absolute nodal coordinate formulation and Hamilton’s principle. Then, Symplectic Runge-Kutta method was adopted to solve the differential equations. The proposed model and numerical algorithm were validated through a numerical example. Finally, numerical simulations were carried out. Simulation results showed that solar radiation pressure as well as structural vibration cause small fluctuation of the attitude angle. Moreover, the effect of solar radiation pressure on structural vibration can be neglected.

Highlights

The solar panel was modeled as an Euler⁃Bernoulli Beam
the bus was modeled as a particle
the tethers were modeled as massless springs

Summary

Introduction

西北工业大学学报 Journal of Northwestern Polytechnical University https: / / doi.org / 10.1051 / jnwpu / 20183630590 摘要:研究了太阳光压作用下绳系空间太阳能电站的姿态和结构振动动力学响应。将太阳能电池板简化为 Euler⁃Bernoulli 梁,平台看作质点,绳子看作无质量的弹簧,建立了绳系空间太阳能电站的简化模型。采用绝对节点坐标法将梁离散,通过 Hamilton 原理建立了系统的动力学方程。采用辛 Runge⁃Kutta 方法进行数值仿真,通过数值算例验证了新模型和数值方法的有效性。最后,数值仿真表明,结构振动和太阳光压均会使系统的姿态产生小幅度振荡,太阳光压对结构振动产生的影响可忽略不计。空间的太阳能能量密度比地面高,且不受昼夜、季节、天气等影响[1⁃2] ,因而空间太阳能电站自提出以来受到了美国国家航空航天局、美国能源部的高度重视,第一个提出空间太阳能电站的概念: 1979 SPS 基准系统[3] 。随后,世界各国相继提出了集成对称聚光系统[4] 、Abacus 空间太阳能电站[4] 、太阳帆塔[5] 、绳系空间太阳能电站[6] 、编队飞行空间太阳能电站[7] 、多旋转关节空间太阳能电站[8] 等概念。对于结构尺寸在千米量级的绳系空间太阳能电站, 其动力学与控制是非常具有挑战性的问题。 2003 年 Fujii 等[9] 将太阳能电池板看作刚体,平台看作质点,忽略绳子的质量和弹性,研究了绳系空间太阳能电站的姿态运动和结构振动的控制算法。 Zhou 和 Fan[10] 针对绳系空间太阳能电站的试验模型,将太阳能电池板看作欧拉-伯努利梁,忽略绳子的质量和弹性,研究了系统在轨道平面内的单轴转动,并采用主动姿态调整和主动振动抑制相结合的复合控制方法,实现系统姿态的快速大角度机动。周荻和范继祥[11⁃12] 将太阳能电池板看作板,通过 4 根绳子跟平台连接,建立了系统的动力学模型,研究了系统单轴大角度机动过程中的姿态控制和通过绳子张力进行结构振动抑制的问题。 Fan 等[13] 和 Fujii 等[14] 将太阳能电池板简化为梁,进一步通过地面实验验证了采用调整绳子张力的方式进行太阳能电池板主动振动控制的可行性。 Senda 和 Goto[15] 将绳子看作弹簧,平台和太阳能帆板看作刚体,建立了绳系空间太阳能电站的动力学模型,并设计了采用地磁场进行姿态控制的控制算法。 Ishimura 和 Higuchi[16] 将平台看作质点,将绳子看作弹簧,太阳能电池板看作板,研究了热致变形对绳系空间太阳能电站动力学响应的影响。魏乙等[17] 采用绝对节点坐标法,建立了绳系空间太阳能电站的动力学模型,研究了轨道高度、绳长以及系统质量对太阳能电池板振动特性的影响。绝对节点坐标法能精确描述变形体的大变形[18] ,但文献 [ 17] 在建立模型时假设系统只在平衡点附近运动,因而忽略了绳子的质量和弹性,从而无法准确给出系统的动力学特性。上述文献中均没有研究系统在太阳光压作用下的动力学特性。

Results

Conclusion