多體動(dòng)力學(xué)與航天動(dòng)力學(xué)及其控制進(jìn)展

王天舒 劉才山

(1.清華大學(xué)航天航空學(xué)院, 北京 100084) (2.北京大學(xué)工學(xué)院, 北京 100871)

多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)是研究由若干個(gè)物體通過(guò)各類約束方式連接組成的多體系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué)。多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)起源于上世紀(jì)六十年代，目前是應(yīng)用力學(xué)方面最活躍的領(lǐng)域之一，并已成為動(dòng)力學(xué)與控制學(xué)科的重要分支。多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)主要以復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)、航空航天、車輛船舶、機(jī)器人等多個(gè)工程領(lǐng)域?yàn)楸尘埃芯績(jī)?nèi)容涉及復(fù)雜系統(tǒng)的建模方法、求解策略、多場(chǎng)耦合動(dòng)力學(xué)特性分析、實(shí)驗(yàn)研究等諸多方面，研究成果具體表現(xiàn)在為工程問(wèn)題提供定性和定量的分析手段、計(jì)算工具、控制模型等相關(guān)內(nèi)容。

航天動(dòng)力學(xué)與控制以航天器和運(yùn)載器為對(duì)象，研究其在飛行過(guò)程中所受的力及其在力作用下的運(yùn)動(dòng)，并以此為基礎(chǔ)開展相關(guān)規(guī)劃和控制研究。航天動(dòng)力學(xué)與控制涉及航天器軌道動(dòng)力學(xué)及控制、軌道設(shè)計(jì)與優(yōu)化、姿態(tài)動(dòng)力學(xué)及控制、剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)、機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)及控制、流體動(dòng)力學(xué)、剛?cè)嵋厚詈蟿?dòng)力學(xué)、微振動(dòng)環(huán)境及其顫振動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析及抑制、空間內(nèi)外環(huán)境擾動(dòng)分析等諸多方面。航天器動(dòng)力學(xué)與控制的研究成果可直接應(yīng)用于評(píng)估航天器動(dòng)力學(xué)特性的優(yōu)劣和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有效性，為航天器構(gòu)形選擇、總體方案設(shè)計(jì)與優(yōu)化、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、地面測(cè)試與試驗(yàn)、在軌飛行的故障診斷與處理對(duì)策提供分析依據(jù)，自任務(wù)分析始至在軌飛行均發(fā)揮著重要的作用，貫穿于航天工程的各個(gè)環(huán)節(jié)。

以胡海巖院士為代表的我國(guó)學(xué)者，秉承從工程實(shí)踐中提煉科學(xué)問(wèn)題、并將研究成果直接應(yīng)用于工程實(shí)踐的研究思路，在柔性多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的建模理論、微分/代數(shù)方程組的求解策略、多體系統(tǒng)碰撞摩擦問(wèn)題、多體系統(tǒng)剛?cè)狁詈戏蔷€性理論、航天器軌道姿態(tài)動(dòng)力學(xué)與控制、帶柔性附件和充液貯箱的剛?cè)嵋厚詈蟿?dòng)力學(xué)與控制、空間機(jī)器人動(dòng)力學(xué)與規(guī)劃控制、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)優(yōu)化與減振、星箭耦合動(dòng)力學(xué)等方面取得了豐碩的成果。這些研究成果不僅極大地提升了我國(guó)在多體動(dòng)力學(xué)和航天動(dòng)力學(xué)與控制領(lǐng)域中的國(guó)際學(xué)術(shù)地位，而且對(duì)推動(dòng)我國(guó)諸多工程領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展，特別是在我國(guó)航天領(lǐng)域重大工程項(xiàng)目的實(shí)施過(guò)程中，發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。

當(dāng)前多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和航天動(dòng)力學(xué)與控制學(xué)科的研究進(jìn)入了新階段。一方面，工業(yè)部門向精準(zhǔn)高效發(fā)展的技術(shù)需求，不斷涌現(xiàn)出許多新的與多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)與控制相關(guān)的科學(xué)問(wèn)題，這為兩個(gè)學(xué)科組的發(fā)展提供了源源不斷的動(dòng)力。另一方面，實(shí)驗(yàn)觀測(cè)手段的豐富以及計(jì)算機(jī)計(jì)算效率的提高，為多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和航天動(dòng)力學(xué)學(xué)科的發(fā)展提供了有力的保障?；诖髷?shù)據(jù)、并行計(jì)算分析的空間大型伸展機(jī)構(gòu)多尺度耦合動(dòng)力學(xué)建模與分析已成為學(xué)科發(fā)展的重要研究?jī)?nèi)容；建立復(fù)雜系統(tǒng)的多尺度模型，并發(fā)展不同尺度模型參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)效應(yīng)，將為解決諸如碰撞、接觸、摩擦等諸多基礎(chǔ)力學(xué)問(wèn)題提供有益的分析方法和手段；發(fā)展和完善各類測(cè)量技術(shù)和數(shù)據(jù)分析手段，將為精細(xì)動(dòng)力學(xué)建模提供必要的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；結(jié)合現(xiàn)代數(shù)學(xué)理論，發(fā)展多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的簡(jiǎn)潔表示方法以及高效的求解策略是學(xué)科發(fā)展的重要主題；另外，在大變形多體系統(tǒng)的耦合機(jī)理及處理手段、多閉環(huán)復(fù)雜系統(tǒng)的仿真技術(shù)、深空探測(cè)軌道動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)及優(yōu)化、新型機(jī)器人系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)與運(yùn)動(dòng)規(guī)劃及控制、航天器微振動(dòng)環(huán)境與減振隔振等諸多方面，都有豐富的挑戰(zhàn)性科學(xué)問(wèn)題。

多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的研究成果有很大一部分直接應(yīng)用于航天動(dòng)力學(xué)與控制中，而航天動(dòng)力學(xué)與控制的研究方法和理論也可以拓展多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的研究思路。因此，自航天動(dòng)力學(xué)與控制專業(yè)組成立起，兩個(gè)專業(yè)組的學(xué)術(shù)年會(huì)均采取聯(lián)合辦會(huì)的方式進(jìn)行，不同學(xué)科間學(xué)術(shù)思想、信息的交叉使得雙方均獲益匪淺。本?？珍浀恼撐氖菑?017年召開的第十屆全國(guó)多體動(dòng)力學(xué)與控制暨第五屆全國(guó)航天動(dòng)力學(xué)與控制學(xué)術(shù)會(huì)議的170余篇稿件中選取的，內(nèi)容包括基于現(xiàn)代數(shù)學(xué)理論的多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)算法、間隙摩擦非線性動(dòng)力學(xué)分析、新型航天器動(dòng)力學(xué)建模及仿真、深空探測(cè)軌道動(dòng)力學(xué)、復(fù)雜航天器姿態(tài)動(dòng)力學(xué)及控制策略研究等熱點(diǎn)方向，期望專刊的出版能對(duì)我國(guó)多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和航天動(dòng)力學(xué)及控制學(xué)科的發(fā)展起到積極的促進(jìn)作用。