随着空间技术日益发展,一些具有超大和超柔结构特性的空间结构受到了广泛关注。空间太阳能电站是一类典型的超大空间结构,可以在太空中收集转化太阳能并最后传输至地面。由于在轨接收太阳能的任务需求,空间太阳能电站结构尺寸往往达到千米量级,同时具有较高的结构柔性,其结构基频通常低至10-3Hz量级。对于这类超大空间结构,其轨道运动、姿态运动和结构振动之间的动力学耦合作用显著,而且空间环境作用对空间结构的动力学特性的影响也不可忽视,特别是重力梯度引起的动力学耦合作用。同时,由于超大空间结构所需的姿态控制力矩较大,常用电推进器作为姿态控制执行机构。为了保障超大空间结构的正常工作性能,姿态控制系统需要长期持续消耗燃料,这使得姿态控制系统所携带的燃料量成为制约超大空间结构在轨使用寿命的重要因素之一,因此降低姿态控制过程中的燃料消耗对超大空间结构长期在轨运行十分重要。此外,为了提升超大空间结构的高精度指向性能,在部件之间增加隔振机构十分必要。超大空间结构在姿态控制过程中所受干扰具有低频特性,而由于隔振机构具有隔振频带限制问题,常用于航天器的隔振机构无法实现隔振效果,需要针对超大空间结构设计能够有效减弱低频干扰影响的隔振系统。针对本文工作的具体研究内容如下:建立了超大空间结构在地球轨道空间环境作用下的轨道运动、姿态运动和结构振动的耦合动力学模型。基于哈密顿正则方程,建立了在轨道平面内运动的哑铃模型和柔性梁模型的考虑重力梯度影响的在轨耦合动力学方程。考虑地球阴影区的影响,推导了超大空间结构的太阳光压广义力,并给出了在空间热辐射作用下的哑铃模型和柔性梁模型的在轨热分析方程以及热-结构振动方程。研究了在轨道空间环境作用下的超大空间结构动力学耦合特性,重点揭示了结构的姿态运动与结构振动耦合现象,并分析了其中的耦合机理。首先,通过对比不同初始参数下的仿真结果,讨论了重力梯度对轨道运动、姿态运动与结构振动的影响,重点说明了在重力梯度影响下的姿态运动与结构振动之间的耦合作用,并且针对结构尺寸增加时出现的不稳定现象,利用林滋泰德-庞加莱(Linzted-Poincare)摄动分析方法,讨论了重力梯度影响下的姿态运动引起的超大空间结构的结构参数激振问题。然后,讨论了太阳光压对超大空间结构轨道运动的影响,并比较了质心偏移时太阳光压力矩和重力梯度力矩。最后,分析了热辐射作用引起的超大空间结构在轨温度变化以及热致振动现象,并讨论了地球阴影区的作用。提出了基于滑动质量系统和电推进器协同的超大空间结构姿态控制方法,利用太阳光压力矩充当部分姿态控制力矩,降低了姿态控制所需的燃料消耗。首先,根据在第三章动力学特性研究中发现的超大空间结构受太阳光压力矩影响较为显著的特点,设计了基于滑动质量系统的协同姿态控制方案。而后,针对具有高细长比特性的超大空间结构,在第二章所建动力学模型的基础上,建立了带有滑动质量的超大空间结构在轨动力学模型,讨论了滑动质量运动引起的在轨动力学特性的变化,初步验证了利用滑动质量来实现姿态控制的可行性。然后,设计了超大空间结构姿态保持与滑动质量位置跟踪的双回路控制系统,并基于李雅普诺夫(Lyapunov)稳定性理论证明了所设计的协同姿态控制系统的稳定性,同时以滑动质量系统姿态控制力矩最大为目标,提出了姿态控制力矩分配策略。最后,通过数值仿真验证了所设计的姿态控制方法对降低姿态控制燃料消耗的有效性,并且讨论了滑动质量大小与燃料节省效率的关系。以空间太阳能电站的能量传输天线为例,针对超大型空间结构主体低频振动对其上有效载荷高精度对地指向的干扰,提出了具有准零刚度特性的结构隔振方法。由空间环境作用等因素引起的超大空间结构主体的低频振动,会影响有效载荷的指向控制精度。针对该问题,设计了基于凸轮-滚轮-弹簧形式准零刚度系统的结构隔振方案。然后,给出了准零刚度隔振系统的力与位移关系,并基于谐波平衡法给出了隔振系统的力和力矩传递率,验证了所设计的隔振系统对降低隔振频率限制的效果,同时分析了半径比、刚度比、阻尼比等参数对临界位移、系统传递率等隔振性能的影响。而后,建立了带有隔振系统的超大空间结构在轨耦合动力学模型,并根据系统参数对隔振性能的影响确定了系统参数,通过数值仿真验证了所设计的隔振系统隔离主体结构低频振动影响的作用,。最后,与第四章提出的协同姿态控制方法相结合,研究了带有隔振系统和滑动质量系统的超大空间结构姿态控制方法,通过数值仿真发现增加隔振系统后,滑动质量系统的作用更为显著,由此进一步降低了姿态控制的燃料消耗。本文讨论了超大空间结构长期在轨运行过程中的动力学耦合现象,并探索了适合于超大空间结构的姿态控制方法,可以为超大空间结构在轨动力学与控制技术研究提供一定的理论参考。