多体动力学与航天动力学及其控制进展

王天舒 刘才山

(1.清华大学航天航空学院, 北京 100084) (2.北京大学工学院, 北京 100871)

多体系统动力学是研究由若干个物体通过各类约束方式连接组成的多体系统的运动规律的科学。多体系统动力学起源于上世纪六十年代，目前是应用力学方面最活跃的领域之一，并已成为动力学与控制学科的重要分支。多体系统动力学主要以复杂机械系统、航空航天、车辆船舶、机器人等多个工程领域为背景，研究内容涉及复杂系统的建模方法、求解策略、多场耦合动力学特性分析、实验研究等诸多方面，研究成果具体表现在为工程问题提供定性和定量的分析手段、计算工具、控制模型等相关内容。

航天动力学与控制以航天器和运载器为对象，研究其在飞行过程中所受的力及其在力作用下的运动，并以此为基础开展相关规划和控制研究。航天动力学与控制涉及航天器轨道动力学及控制、轨道设计与优化、姿态动力学及控制、刚柔耦合动力学、机构动力学及控制、流体动力学、刚柔液耦合动力学、微振动环境及其颤振动力学、结构振动分析及抑制、空间内外环境扰动分析等诸多方面。航天器动力学与控制的研究成果可直接应用于评估航天器动力学特性的优劣和控制系统设计的有效性，为航天器构形选择、总体方案设计与优化、控制系统设计、地面测试与试验、在轨飞行的故障诊断与处理对策提供分析依据，自任务分析始至在轨飞行均发挥着重要的作用，贯穿于航天工程的各个环节。

以胡海岩院士为代表的我国学者，秉承从工程实践中提炼科学问题、并将研究成果直接应用于工程实践的研究思路，在柔性多体系统动力学的建模理论、微分/代数方程组的求解策略、多体系统碰撞摩擦问题、多体系统刚柔耦合非线性理论、航天器轨道姿态动力学与控制、带柔性附件和充液贮箱的刚柔液耦合动力学与控制、空间机器人动力学与规划控制、结构动力学优化与减振、星箭耦合动力学等方面取得了丰硕的成果。这些研究成果不仅极大地提升了我国在多体动力学和航天动力学与控制领域中的国际学术地位，而且对推动我国诸多工程领域的技术发展，特别是在我国航天领域重大工程项目的实施过程中，发挥了至关重要的作用。

当前多体系统动力学和航天动力学与控制学科的研究进入了新阶段。一方面，工业部门向精准高效发展的技术需求，不断涌现出许多新的与多体系统动力学与控制相关的科学问题，这为两个学科组的发展提供了源源不断的动力。另一方面，实验观测手段的丰富以及计算机计算效率的提高，为多体系统动力学和航天动力学学科的发展提供了有力的保障。基于大数据、并行计算分析的空间大型伸展机构多尺度耦合动力学建模与分析已成为学科发展的重要研究内容；建立复杂系统的多尺度模型，并发展不同尺度模型参数之间的关联效应，将为解决诸如碰撞、接触、摩擦等诸多基础力学问题提供有益的分析方法和手段；发展和完善各类测量技术和数据分析手段，将为精细动力学建模提供必要的实验验证；结合现代数学理论，发展多体系统动力学模型的简洁表示方法以及高效的求解策略是学科发展的重要主题；另外，在大变形多体系统的耦合机理及处理手段、多闭环复杂系统的仿真技术、深空探测轨道动力学设计及优化、新型机器人系统的动力学与运动规划及控制、航天器微振动环境与减振隔振等诸多方面，都有丰富的挑战性科学问题。

多体系统动力学的研究成果有很大一部分直接应用于航天动力学与控制中，而航天动力学与控制的研究方法和理论也可以拓展多体系统动力学的研究思路。因此，自航天动力学与控制专业组成立起，两个专业组的学术年会均采取联合办会的方式进行，不同学科间学术思想、信息的交叉使得双方均获益匪浅。本专刊所收录的论文是从2017年召开的第十届全国多体动力学与控制暨第五届全国航天动力学与控制学术会议的170余篇稿件中选取的，内容包括基于现代数学理论的多体系统动力学算法、间隙摩擦非线性动力学分析、新型航天器动力学建模及仿真、深空探测轨道动力学、复杂航天器姿态动力学及控制策略研究等热点方向，期望专刊的出版能对我国多体系统动力学和航天动力学及控制学科的发展起到积极的促进作用。