清华大学工程力学系教授  王照林

清华大学工程力学系教授  李俊峰

 

    在这里介绍的是清华大学工程力学系航天器动力学与控制研究小组的成长历程及其参与研究“复杂系统动力学与控制”的基本情况。

 

    凡是有关航天科技发展的报导，都会引起小组成员的瞩目。特别是，当我国自行研制和发射的大型充液地球同步通信卫星《东方红三号》和充液细长体地球同步气象卫星《风云二号》以及与国际合作完成的微小卫星《航天清华一号》等顺利入轨以后，更是欢欣鼓舞、喜上眉梢。不言而喻，这充分反映了小组成员作为参与者和课题研究者的由衷的喜悦。三十多年来该小组的成长历程是与“航天”结下了不解之缘。千禧之年, 我国《神舟》号宇宙飞船遨游太空，开创了中国航天的新篇章，极大地鼓舞了小组成员研究航天的积极性。

 

 

        该小组是一个老中青密切协调的精干活跃的团结集体。起初可追溯到50年代末到60年代初，有的小组成员在国外学习时即涉及到航天器姿态动力学与控制(姿态稳定与机动)的研究课题，后来又有从国外学习航天科技的青年学者加盟；另外，由1978-2000年历届的硕士生、博士生、博士后，还有访问学者等，组成了一个相对稳定的又是流动的有生命力的开拓性的学术集体。小组的成长是与我国的高科技的发展要求密切相关的。例如，60年代初我国航空部门，为了急需解决战斗机在空战格斗中出现的尾旋失稳问题，该小组承担了“飞机大扰动稳定性”的研究课题，导出了转速与攻角相耦合对飞机“失速”的影响公式，为设计单位提供了理论依据。又如，70年代曾参与了海防火箭末制导系统的研制, 历时约八年。到了1980年初即全力转向航天器复杂系统动力学与控制的研究工作。这是航天等高科技走向兴旺发达的时期。小组的成员抓住机遇并依托国家航天部门、国家自然科学基金委、863-2项目专家组、中国科学院空间中心、总参研究院各方面的大力支持以及清华大学校系的关心和领导，获得了一系列具有重要理论意义和工程应用价值的成果。

 

    该研究小组的主要研究方向有：复杂系统动力学与控制、充液航天器晃动动力学与控制、运动稳定性与卫星姿态动力学、大系统理论和现代应用力学等。已完成科研项目30多个。

 

    结合科研任务， 在国内外学术刊物上已发表论文100多篇, 并撰写专著3本, 参编著作8本, 参译专著1本。

有关成果已多次被国际检索收录：如SCI, EI, ISTP, IAA, SCIENCE ABSTRACT, РЖ等。曾多次在国际会议上进行交流，其中有的成果被评为优秀论文，或特邀作大会报告。已获国家教委和国家教育部科技进步奖（二等奖）4次 (1989,1993,1997,1998), 并于1997年获国家科技进步奖 (三等奖)。

 

 

        我国航天事业的发展，极大地鼓舞了研究小组的所有成员。按照国家的急需和航天部门的要求，研究小组积极投入了航天器动力学与控制的理论研究和应用研究。特别是，按照合作协议，清华大学工程力学系航天器动力学与控制研究小组实际参与了我国自行研制和发射成功的大型充液地球同步通信卫星《东方红三号》和大型充液细长体地球同步气象卫星《风云二号》以及国际合作的微小卫星《航天清华一号》等的科研任务，获得了一系列的创新成果，有的已达到国际先进水平，受到了协作部门的充分肯定和社会的承认。

 

 

        1963年以来，研究小组，在国内外进行了充液复杂系统动力学与控制的研究工作，其理论研究成果主要有：对于充液系统的“理论建模”，利用Jourdian微分变分原理，导出了刚－流－弹耦合系统的动力学方程和带有表面张力的动力学界条件（其中液体与气体为互不相容的可压缩粘性流体）：从而推广和完善了Rumjantsev以及刘延柱的研究成果。提出了“大系统加权V函数方法”，避开寻求不变量，可以导出全充液对称椭球旋转的稳定性判据。研究出一种“模拟液体晃动力矩法”，应用于偏置飞轮控制的充液航天器三轴姿态稳定的研究。利用“动力系统”的理论，求出了充液自旋非线性系统的全局分叉，以及不出现混沌的必要条件。在理论上为避免“溢出”(Spillover)现象, 在函数空间中, 应用算子半群理论研究充液柔性分布参数复杂系统动力学, 导出了流－刚－弹耦合系统的镇定判据和控制的方案，得到了受控系统指数渐近稳定性的结论。对于MAC方法、VOF方法和ALE-FEM方法等，这是一些研究带复杂自由液面（内含气泡和防晃肋板的液体）大幅晃动动力学和晃动抑制（控制）的有效数值方法。对于复杂结构充液航天器晃动动力学，首次揭示了多自由液面与单自由液面的晃动特性有本质的不同，对于前者，二阶以上谐振起主导作用，这是一项十分重要的理论成果。针对无限维非线性时滞系统稳定性，建立了新型的“比较原理”，从而将问题约化为一组有限维的微分或积分不等式，便于检验和应用。 另外还研究了空间机械臂与充液航天器的耦合动力学。

 

 

        研究小组密切联系我国的高科技实际，已完成30多个科研项目，主要成果有：其一是，清华大学研究的关于“航天器内部液体晃动对控制系统的影响”，该课题同时考查了多种因素对系统失稳的影响，例如：充液贮箱偏置位置，充液比，液体涡旋，离心加速度，Coriolis加速度, 微重力，转速，阻尼等的耦合作用。分析表明：在一定的转速条件下，当充液比在40%左右时，时间常数最小，即系统失稳最严重。其正确性已被航天部门后来的微重力落塔实验所证实。为我国首次设计大型充液细长体气象卫星，提供了理论依据。鉴定意见认为：这是卫星主动晃动控制系统设计的关键问题，在国际上也是一个比较复杂，难度很大的研究课题，有重要的工程价值和理论意义。该课题的理论分析严谨，计算方法先进，计算数据可靠，考虑的因素全面，参数变化范围较宽，便于分析对比。是国内首次获得的部分充液自旋卫星液体晃动力学方面比较全面系统的成果，已达到国际先进水平。该卫星《风云二号》已发射成功。其二是，清华大学负责的关于“复杂结构充液航天器晃动动力学与晃动抑制的研究”，分析了多种形式的防晃结构，当粘弹性防晃板与液体二者的特征频率很接近时，板的内阻已成为耦合系统耗散的主要因素，从而复杂结构板的抑制（控制）晃动的效果显著。有关的结果，已被地面试验证实。鉴定意见认为：这是国内外航天器设计中具有重要价值的前沿课题。这不仅已在卫星工程中起了指导作用，而且在解决充液航天器流－固－控耦合动力学与晃动抑制研究方面上有创新和突破。是国内首次获得的复杂结构充液航天器晃动动力学与晃动抑制研究方面的比较全系统的成果。在国内处于领先地位，已达到国际先进水平。其成果已用于我国大型充液地球同步通信卫星控制和推进系统的设计。该卫星《东方红三号》已发射成功，在轨运行正常。航天部门的“应用证明”指出：清华大学多年来承担的以上研究课题都是工程实际中提出的难度很大的问题，有的在国际上也没有很好地解决；成果全面系统，达到了国际先进水平；通信卫星运行后，将大大提高卫星通信能力，有巨大的社会效益和经济效益。其三是，关于“多体复杂系统动力学与稳定性”，这是由清华大学，北京大学和上海交通大学共同承担清华大学主持的“国家自然科学基金重点项目”，已于1998年5月23日通过了验收：这些研究成果具有重要的理论方法意义，和工程应用价值，达到了国际先进水平；验收组认为：该研究项目已经全面完成了研究计划所规定的任务（综合评价A）。其中，“多充液腔飞船系统动力学与稳定性”是清华大学完成的分课题，取得的主要成果为：对带自由液面的充液航天器，深入研究了非线性非稳态大幅晃动与晃动抑制（控制）问题；针对三维大幅晃动，揭示了出现自由液面破碎，分叉旋转等严重非线性动态失稳的机理；论证了防晃隔板抑制晃动的最佳动态特性。这是清华大学先期进行两个充液航天器（例如，飞船和空间站）交会对接(RVD)动力学与控制研究的发展。近期还参与了《航天清华一号》微小卫星国际合作研究, 并有所创新; 例如,试验在50公斤量级的微小卫星上实现三轴稳定系统, 这可以更加精确地控制卫星姿态, 为将来发射高分辨率的微小卫星提供技术预研。

 

        在知识经济开拓前进的时代，高科技体现了先进生产力的发展，而航天高科技又是一切高科技的集中表现。为此，在结束本文的时候， 让我们再表述一下清华大学工程力学系航天器动力学与控制研究小组的工作指导思想：先学习后创造，边学习边创造，志向在航天，为国多贡献。