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空间对接机构缓冲试验台对连接分离试验的影响分析

2016-8-6 13:06| 发布者: wangziyi| 查看: 747| 评论: 0|原作者: zhangni|来自: [db:来源]

摘要: 引言  空间对接机构是运输飞船与空间站实现空间交会对接的关键机构.当两个交会的飞行器满足一定的对接初始条件后,从接触的瞬间起,对接机构需完成捕获、缓冲、校正、拉近和密封连接等一系列连接功能,并满足一定 ...

  引言

  空间对接机构是运输飞船与空间站实现空间交会对接的关键机构.当两个交会的飞行器满足一定的对接初始条件后,从接触的瞬间起,对接机构需完成捕获、缓冲、校正、拉近和密封连接等一系列连接功能,并满足一定的姿态和速度要求的安全分离功能.空间对接机构对两飞行起的对接、分离成功起着至关重要的作用,因此,如何做好充分的地面模拟试验非常重要.

  为了模拟太空零重力下的对接过程和分离过程,特别研制了缓冲试验台来模拟试验.该试验台是我国首创的对接机构缓冲试验装置,设想通过该试验台进行对接分离过程的全物理全过程试验,验证对接机构设计的正确性.

  从理论上开展了缓冲试验台对连接分离的影响分析,论述了地面模拟试验和空间零重力环境下两飞行器在分离瞬间的运动对比情况;最后通过建立空间对接机构和缓冲试验台的全数字虚拟样机模型及相应的仿真计算,对理论分析的结果进行了验证.

  1缓冲试验台的结构及参数缓冲试验台的结构简图,空间对接机构包含主动对接机构和被动对接机构,主动对接机构与主动飞行器相连,称之为主动端左端所示,被动对接机构与目标飞行器相连称之为被动端右端所示.为方便研究,本文取其中之一的主动端单体作为研究对象,坐标系的定义.

  为了用数学模型来分析描述飞行器在分离时的运动特性,本文提取了飞行器和对接机构的主要力学和物理参数:飞行器的质量惯量特性,对接机构的分离推杆和对接锁系的力学参数以及由它们在分离过程中产生的附加力矩等等;缓冲试验台主要影响参数:重力平衡装置,缓冲试验台机械装置的摩擦阻力矩等.

  2两种模型结果对比

  将各类输入条件如质量惯量特性、作用载荷、空间对接机构尺寸等带入式(7)和式(8)可以分别获得各个自由度方向的分离速度。

  缓冲试验台理论模型和空间零重力理论模型两种情况下的运动方程在形式上是一致的,都是由第二类拉格朗日方程导出,由动力学方程式(7)和式(8)计算结果的比较,主要区别在于:

  (1)两者自由度不同,空间比缓冲试验台多了关于质心y向位移的第二个方程,这个方程与其它自由度的藕合体现在力向量中,但其它5个方程并不与它发生藕合;

  (2)缓冲试验台中的二维转台与模拟器并非完全一体,发生俯仰角后导致总的绕y轴的转动惯量发生变化,体现在D和D1阵中;

  (3)为分离推杆与对接锁解锁时引起的初始俯仰角和偏航角,t为对接锁解锁到飞行器分离所需的时间(毫秒级).可以看出两种模型得到的结果除滚转角速度外基本一致,但滚转角速度由于本身量级就非常小(10 - 3 deg 以下),本文认为该差别可以忽略.

  (4)缓冲试验台在我们关心的精度范围内真实反映了空间零重力环境下的分离运动情况.

  3虚拟样机动力学仿真

  依据空间对接机构和缓冲试验台的性能参数与设计原理,建立了两种理论模型的全数字虚拟样机模型。

  本文随机抽取了地面试验中的一组工况,给出了两种模型计算出的结果对比,在滚转方向上的角速度虽然两者的离散性比较大,但是它们本身的绝对数值却非常小(基本在10-3 deg /sec量级),可以认为两者没有影响,同样在横向(Y向偏航和Z向俯仰)的线速度相比分离方向小了2个数量级(毫米级),本文就不赘述列举.和分离推杆作用力相关,当最后一把对接锁解锁时,分布在该方向上的分离推杆由于被压缩的相对厉害,产生的推力会相对较大,使得飞行器姿态角速度有一个“纠偏”动作,表现在分离曲线上就会出现,地面试验曲线与仿真曲线比较吻合,后续会进行相关报道.从仿真结果上进行横向比较,两种状态在分离速度上非常接近,可以认为没有差异;在偏航和俯仰方向两种状态的角速度也非常接近,基本上两种模型的结果比值在1的附近.依据以上分析结果可以推断,空间对接机构缓冲试验台对连接分离试验不会带来影响,利用缓冲试验台进行的地面连接分离试验可以有效反映空间零重力环境的分离过程.

  4结论

  本文从理论上论述了空间对接机构缓冲试验台对分离试验的影响,同时建立了相应的全数字样机模型.理论分析和仿真计算结果表明,缓冲试验台能够模拟空间零重力环境下运输飞船和空间站的分离过程与运动特性,从而确认了在地面上获得的大量分离试验数据真实有效.


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