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皮卫星星箭分离机构设计分析方法及关键技术研究

作　者: 谢长雄
导　师: 傅建中
学　校: 浙江大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 皮卫星星箭分离机构耦合振动热-结构分离动力学航天器
分类号: V421.7
类　型: 博士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

皮卫星是基于MEMS微机电系统技术的一种全新概念的微小卫星,它具有研发周期短、制造发射成本低、功能针对性强、载荷接口灵活等常规卫星无法比拟的优点。而星箭分离机构作为皮卫星项目中的重要组成部分,直接决定着皮卫星发射任务的成败。论文结合“十一五”预研项目“皮卫星技术*****”,采用理论分析、计算机模拟和实验研究相结合的方法,系统、深入地开展了皮卫星星箭分离机构基础理论和关键技术的研究,设计并研制了皮卫星星箭分离机构,2010年9月22日,“皮星一号A”卫星的成功发射验证了星箭分离机构适用性、有效性和可靠性。论文首先阐述了课题的研究背景与意义,详细论述了皮卫星星箭分离机构国内外研究现状,明确了星箭分离机构设计分析的关键技术。在此基础上,提出了论文的主要研究内容。针对皮卫星对星箭连接分离的技术指标要求和功能需要,设计并研制了皮卫星星箭分离机构。为实现星箭无干涉分离,论文分别对动力系统、防干涉系统等关键部件进行了理论计算和数值分析。星箭分离机构主要由薄壁件组成,在振动环境中容易引起刚柔耦合振动,对薄弱部件产生破坏作用。为保证星箭分离机构在复杂振动环境中的连接可靠性,必须分析其振动特性。皮卫星和星箭分离机构整体模型很复杂,求解难度大,根据边界连接关系将整体系统分解为皮卫星、舱门、框架、后板四个子结构,分别对各子结构进行了理论建模分析,然后通过坐标转换和方程联立,实现皮卫星及其星箭分离机构整体求解。通过对皮卫星和星箭分离机构组合体的模态和静力学分析,得到了组合体整体力学性能。发射过程中,除了复杂力学环境外,还需考虑热真空环境影响,卫星朝阳面和背阴面产生的截面温差将导致结构的热变形,影响到皮卫星的正常分离。为了解皮卫星在发射过程中的热变形情况,以皮卫星及其星箭分离机构组合体为研究对象,根据卫星发射轨道参数,计算皮卫星及其星箭分离机构在卫星发射过程中所受到的内外热流,并以其所受到的内外热流为输入条件,采用有限元软件对其进行热-结构模拟,分析了卫星发射过程中皮卫星外壳与导轨面的温度场和热变形,以达到合理设计皮卫星与导轨面间配合间隙的目的。皮卫星能源有限、姿控能力差等特点决定了其对星箭分离初始姿态要求较高,为合理设计星箭分离机构,确保星箭成功分离,在对皮卫星分离过程中所受外力和外力矩进行分析的基础上,建立了皮卫星星箭分离动力学仿真模型,并通过地面分离试验对模型进行了修订,并对卫星入轨初始姿态进行了预测。最后,通过对星箭分离机构的系列化试验研究,验证了理论分析与数值模拟的正确性和可行性。在试验中,对皮卫星及其星箭分离机构组合体进行了力学环境试验和分离试验研究,并将试验结果与理论分析、仿真计算结果进行比较,达到对星箭分离机构动态设计模型进行校核的目的。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-8
Abstract  8-10
目录  10-14
1. 绪论  14-28
  摘要  14
  1.1 皮卫星星箭分离机构的重要意义  14-15
  1.2 国内外皮卫星星箭分离机构研究现状  15-20
    1.2.1 P-POD皮卫星星箭分离机构  16-17
    1.2.2 SPL皮卫星星箭分离机构  17
    1.2.3 RAFT皮卫星星箭分离机构  17-19
    1.2.4 T-POD皮卫星星箭分离机构  19-20
    1.2.5 “皮星一号A”星箭分离机构  20
  1.3 关键技术研究现状  20-23
    1.3.1 航天器结构设计研究现状  20-22
    1.3.2 热-结构耦合分析研究现状  22-23
    1.3.3 星箭分离动力学研究现状  23
  1.4 博士学位论文主要研究内容  23-26
  1.5 本章小结  26-28
2. 皮卫星星箭分离机构设计  28-44
  摘要  28
  2.1 引言  28
  2.2 设计要求和原则  28-30
    2.2.1 功能要求  28
    2.2.2 技术指标要求  28-29
    2.2.3 设计原则  29-30
  2.3 方案设计  30-31
    2.3.1 皮卫星安装与分离方案  30
    2.3.2 星箭分离机构整体结构方案  30-31
  2.4 材料选取  31-32
  2.5 运动系统设计  32-41
    2.5.1 防干涉系统设计  32-35
    2.5.2 动力系统设计  35-41
  2.6 电气接口设计  41-42
    2.6.1 飞轮供电信号  41
    2.6.2 分离机构解锁遥测信号  41-42
  2.7 本章小结  42-44
3. 皮卫星星箭分离机构刚柔耦合振动分析  44-62
  摘要  44
  3.1 引言  44
  3.2 刚柔耦合振动模型  44-47
    3.2.1 前后楔形块等效刚度与阻尼  46
    3.2.2 钛杆等效刚度与阻尼  46
    3.2.3 皮卫星与导轨接触面刚度与阻尼  46-47
    3.2.4 振动前初始状态  47
  3.3 各子结构数学建模  47-56
    3.3.1 卫星振动数学模型  47-49
    3.3.2 舱门振动数学模型  49
    3.3.3 框架振动数学模型  49-55
    3.3.4 后板振动数学模型  55
    3.3.5 联立求解  55-56
  3.4 仿真分析  56-61
    3.4.1 模态分析  56-59
    3.4.2 应力应变分析  59-61
  3.5 本章小结  61-62
4. 皮卫星星箭分离机构热-结构耦合分析  62-80
  摘要  62
  4.1. 引言  62-63
  4.2. 热-结构耦合模型建立  63-64
  4.3. 发射轨道描述  64-66
  4.4. 外热流分析  66-69
    4.4.1. 太阳辐射外热流  67-68
    4.4.2. 地球红外热流  68
    4.4.3. 地球反照热流  68-69
  4.5 卫星工作热耗  69-70
  4.6 结合面接触热阻分形理论  70-75
  4.7 热-结构耦合仿真分析  75-78
  4.8 本章小结  78-80
5. 皮卫星星箭分离动力学分析  80-90
  摘要  80
  5.1 引言  80
  5.2 星箭分离各阶段分析  80-82
  5.3 皮卫星星箭分离动力学方程  82-83
  5.4 分离过程中皮卫星受力分析  83-86
    5.4.1. 弹簧力与弹簧力矩  83-84
    5.4.2. 碰撞力和碰撞力矩  84-85
    5.4.3. 重力  85-86
  5.5 数值分析  86-89
  5.6 本章小结  89-90
6. 皮卫星星箭分离机构试验研究  90-114
  摘要  90
  6.1 引言  90
  6.2 皮卫星配重试验  90-98
    6.2.1 质心测试  91-92
    6.2.2 转动惯量测试  92-93
    6.2.3 基于遗传算法的皮卫星配重优化  93-95
    6.2.4 遗传算法求解  95-96
    6.2.5 配重结果及分析  96-98
  6.3 力学环境试验  98-109
    6.3.1 振动试验  99-106
    6.3.2 冲击试验  106-108
    6.3.3 加速度试验  108-109
  6.4 常温及高低温环境下的分离试验  109-111
  6.5 在轨分离试验  111-112
  6.6 本章小结  112-114
7. 总结与展望  114-117
  7.1. 主要结论  114-115
  7.2. 研究展望  115-117
参考文献  117-122
攻读博士学位期间主要的研究成果及参加的科研项目  122

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