非合作卫星对接缓冲机构及其地面实验的研究

摘要

随着越来越多的卫星出现未进入预定轨道、发生故障、燃料耗尽或者完成任务后占用轨道等问题，全球都在研究如何对接捕获这些卫星并加以处理。这类卫星分为合作卫星和非合作卫星，其中非合作卫星是指那些不是为了对接或者捕获而设计的卫星，即需要研制特定的对接捕获装置。同时，太空中两个自由漂浮的卫星进行对接，总有一定概率由于碰撞接触力过大而导致目标卫星被弹开或者损坏。因此本文希望研制一种缓冲机构来降低对接过程中的碰撞力峰值，辅助实现非合作卫星的柔顺对接和控制，并结合地面实验来验证其有效性。
　　本文首先根据非合作卫星对接的工作要求和原理，提出了相关设计原则和要求。在此基础上，设计的缓冲机构能够实现俯仰、侧摆和伸缩运动，并且具有轴向和径向的缓冲。又利用重力补偿块以解决地面实验存在的重力补偿的问题，同时在轴承外壳上均布八个碟簧组来校正对接装置和喷管的同轴度误差。本文还通过有限元强度分析保证了缓冲机构中的核心零件的设计可靠性。其次，建立了非合作卫星对接动力学模型。采用通用的连续碰撞力方程作为对接过程的碰撞力方程，求得对接过程中的碰撞接触力变换矩阵。采用虚功率原理对对接碰撞过程进行了研究，经过推导简化求得非合作卫星对接碰撞过程的动力学模型。然后，通过简化的一维碰撞动力学模型，结合连续碰撞动力学方程，设计缓冲机构的刚度和阻尼缓冲参数。同时，利用动力学仿真软件模拟非合作卫星对接过程，验证缓冲机构的缓冲参数设计合理性和正确性。最后，设计了基于工业机器人并结合气浮平台的非合作卫星对接地面实验。进行了不同初始姿态下的对接实验，以及刚性碰撞对比实验。实验结果表明，缓冲机构在对接过程中有效的降低了碰撞接触力的峰值；防止目标卫星由于碰撞力过大而弹开，辅助实现非合作卫星的柔顺对接。

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第1章 绪 论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 国内外在该方向的研究现状及分析

1.3 国内外文献综述的简析

1.4 课题主要研究内容

第2章 缓冲机构结构设计

2.1 引言

2.2 设计原则

2.3 各设计环节任务分配

2.4 机构方案及组成

2.5 缓冲机构工作原理

2.6 主要零部件校核

2.7 本章小结

第3章 非合作卫星对接过程动力学建模

3.1 引言

3.2 坐标系定义

3.3 缓冲机构碰撞接触力模型

3.4 基于虚功率原理的捕获阶段动力学建模

3.5 本章小结

第4章 缓冲参数设计及动力学仿真

4.1 引言

4.2 基于一维的碰撞动力学模型设计缓冲参数

4.3 基于ADAMS 的对接仿真实验

4.4 本章小结

第5章 非合作卫星对接地面实验

5.1 引言

5.2 非合作卫星对接地面实验设计

5.3 非合作卫星对接地面实验研究

5.4 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢