随着航空宇航技术的不断发展,运载火箭发射任务的需求趋向多样化。运载火箭作为一个典型的时变系统,燃料燃烧导致的变质量效应对火箭的飞行过程影响巨大。同时,随着火箭尺寸不断增加,柔性变形因素造成火箭刚柔耦合动力学问题突出。为了满足航天发射复杂的任务需求,建立一个考虑变质量效应的柔性火箭动力学模型对于火箭的设计和控制工作极为重要。众所周知,燃料占火箭总质量比例极大。从发射任务经济性以及轨道设计的角度出发看,除了有必要考虑火箭的变质量效应之外,还有必要对燃料的最优控制问题进行深入研究。这样不仅可以满足火箭发射基本任务,同时达到节约燃料的目的。另外,对于火箭这样的时变系统,其飞行过程中的模态参数变化情况对火箭设计和控制工作意义重大。通常情况下,其模态参数辨识工作都是在地面进行的,而在轨状态下的模态参数辨识不仅可以消除地面实验条件的限制,更可以辨识实时的模态参数变化情况。综上所述,变质量效应和柔性因素会对火箭系统的动力学特性造成重要影响,燃料最优控制问题和在轨模态参数辨识问题又是航天器科学与力学领域中的热点与难点问题。因此,开展动力学建模与控制问题和在轨模态参数辨识问题的研究具有重要的理论意义和工程应用价值。本学位论文在国家自然科学基金(11132001,11272202,11472171)、上海市教委科研重点项目(14ZZ021)和上海市自然科学基金(14ZR1421000)的资助下,开展了火箭的动力学与控制问题以及在轨模态参数辨识问题的研究,主要研究内容和成果总结如下:(1)开展了考虑变质量效应的柔性运载火箭动力学模型研究。首先,给出基于Kane方程的变质量质点动力学方程,通过模态截断法,建立变质量柔性体的动力学模型;分解变质量柔性体可以得到平动方程、转动方程和振动方程;然后,将火箭模型简化为喷嘴-梁模型,并分别推导了针对火箭喷嘴和梁的动力学方程,进而组集得到运载火箭整体系统的动力学方程。最后,对单级火箭和两级火箭分别开展数值仿真研究,验证本文理论的有效性。数值仿真结果显示,本论文所建立的考虑变质量效应柔性火箭动力学模型能够有效地描述火箭的飞行过程。(2)开展了运载火箭燃料最优控制问题的研究。首先,在燃料消耗速率保持不变的前提下,将运载火箭燃料最优控制问题等效成时间最优控制问题,给出运载火箭时间最优控制问题下的性能指标;由火箭飞行过程的起始状态和达到预定轨道的末端状态得到控制问题的初始条件和终端条件;基于两点边界值法,通过推导Hamiltonian函数,建立起一个完整的两点边界值问题;最后,通过数值仿真求解此两点边界值问题,得到了在燃料最优控制情况下单级火箭和两级火箭的控制律和以及相关飞行轨迹。将优化得到的火箭发动机摆角规律施加在第二章中火箭动力学模型上,将优化之后与未经过优化的飞行数据进行对比,验证了两点边界值模型解决火箭燃料最优控制问题的有效性。(3)开展了运载火箭频率参数辨识问题的研究。首先,通过本文第二章所建考虑变质量效应柔性火箭动力学模型的求解,得到了运载火箭飞行过程中各点的输出数据,同时已知火箭的输入的推力数据;然后将输入输出数据带入到OKID法,求解得到火箭的脉冲响应数据,再将这些脉冲响应数据带入ERA法进行辨识计算,便得到了随着时间变化的频率参数;最后,将所得频率参数变化数据拟合成曲线,并与第二章所建动力学模型的振动频率随着时间变化规律进行对比。对比结果显示,ERA法的辨识结果与第二章动力学模型所得结果相符合,这不仅仅验证了变质量柔性火箭动力学模型的正确性,同时也验证了通过ERA法辨识频率参数理论的正确性。