现代航天器通常携带大量的液体燃料以及柔性附件,尤其在快速大角度姿态机动、交会对接和变轨等情况下,很可能诱发液体大幅非线性晃动和柔性附件的振动,从而导致航天器系统产生刚-液耦合、刚-液-控耦合、刚-液-柔-控耦合等复杂的耦合动力学效应,并由此对航天器的姿态和位置控制系统产生影响。由于传统的单摆和弹簧质量等线性晃动等效力学模型均基于液体小幅度晃动理论的假设,从而无法准确地反映出液体大幅晃动的动力学行为。本文基于运动脉动球模型,系统地研究了液体大幅晃动类充液柔性航天器的耦合动力学与控制问题。本文的主要研究内容如下:(1)全面系统地介绍了液体大幅晃动等效力学模型的研究进展,在此基础上详细地介绍了运动脉动球模型的理论基础。基于运动脉动球模型推导了航天器刚-液耦合动力学方程,并通过计算机数值仿真结果验证了该模型的正确性和有效性。(2)根据液体大幅晃动实验规律和表面张力会影响液体静平衡位置的现象,对运动脉动球模型进行了两个方面的改进和修正:第一,将有效质量因子引入到运动脉动球模型,用于修正本模型计算得到的液体离心作用力的大小;第二,将静态表面张力引入到运动脉动球模型,用于修正本模型中法向力受表面张力的影响。并且通过数值仿真结果与现有的实验结果的对比,证明了以上改进工作的有效性。(3)基于运动脉动球模型建立了包含多个液体燃料储箱的航天器的刚-液-控耦合动力学模型,并根据Lyapunov理论设计了航天器姿态反馈控制器。对于携带单个储箱的航天器,研究了液体晃动阻尼,姿态机动完成时间和储箱位置对航天器姿态机动过程的影响;对于携带两个储箱的航天器,研究了航天器主旋转轴偏离理想位置时,偏移量对晃动力矩、控制力矩以及对完成姿态机动所需的最小液体晃动阻尼的影响;对于四个储箱航天器,研究了不同的储箱空间布局对完成姿态机动所要求的最小的液体晃动阻尼、晃动力矩和控制力矩的影响。(4)应用运动脉动球模型和上述的航天器姿态反馈控制器以及欧拉-伯努利梁理论,建立了同时包含液体燃料晃动和柔性附件振动的航天器刚-液-柔-控耦合动力学模型。在此基础上,研究了液体晃动和柔性附件振动对主刚体姿态运动的扰动方式、液体燃料和柔性附件之间的动力学耦合行为,以及动力学耦合效应对低韦伯数环境下液体燃料再定位过程的影响。(5)建立了存在燃料消耗过程时液体大幅晃动运动脉动球等效力学模型,在此基础上研究了考虑液体燃料大幅晃动及燃料消耗效应时航天器的位置-姿态跟踪控制问题。探讨了多储箱航天器中可能存在的三种燃料消耗方式对位置-姿态跟踪控制的影响,并且提出了对应的自适应滑模控制方法。通过数值仿真结果证明了所设计的混合控制器不仅能显著地提高位置-姿态跟踪机动的效率,而且能有效地降低控制系统对于不同燃料消耗情况的敏感度,提升控制系统的稳定性。