基于磁通钉扎效应的可重构连接设计及动力学分析

摘要

空间在轨装配技术是构建航天器对宇宙空间进行深入探索的关键技术,目前已有有人在轨装配和自主在轨装配两种方式。但有人在轨装配存在高成本、高风险以及易失误等缺点,而自主在轨装配也存在自动控制的大延时等问题。因此,研究适应未来空间任务的新型在轨装配方法十分必要。高温超导体作为非理想的第II超导体具有特殊的磁通钉扎效应,能够在超导体和磁体之间形成一个被动稳定的、非接触的、可重构的连接,这一特性为在轨装配提供了新的研究思路。因此,本文着重研究了一种可用于模块化航天器在轨装配的可重构接口。
　　高温超导体能够在外磁场中稳定地悬浮,与磁体间能形成比拟刚性的非接触连接。本文首先根据高温超导体与磁体形成的钉扎接口设计了一种两模块重构的接口,并分析了接口重构的详细步骤。最后又在两模块重构接口的基础对重构接口进行了扩展设计。
　　理论研究中,首先对冻结镜像模型进行了修正,利用Gauss-Legendre算法计算了Ampere电流环的磁场分布。然后,使用电流环代替电磁铁,通过修正的冻结镜像模型计算了重构模块间在重构过程中的钉扎作用,并通过仿真研究了钉扎系数、电流环电流强度、电流环半径以及场冷高度等因素对钉扎作用的影响。最后,利用高温超导体和磁体间相互作用的单阻尼受力模型和刚体动力学理论,建立了接口重构的动力学模型,而后通过仿真分析不同条件下的重构动态响应,验证了接口重构的可行性。
　　在实验研究部分,设计了一种适用于地面模拟重构实验的具有强磁场的电磁铁,并利用该电磁铁和钇钡铜氧高温超导体构建了实验的重构模块。然后在微重力气浮平台上进行了重构实验,利用高速摄像机跟踪采集了模块在转动重构中各个位置的图像,对这些图像处理后得到了模块位置时间关系曲线,定性和定量地验证了接口重构的可行性。

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第1章 绪 论

1.1课题来源

1.2课题研究的背景和意义

1.3国内外在轨装配的研究现状

1.4国内外超导钉扎连接特性研究现状及分析

1.5主要研究内容

第2章 可重构超导磁通钉扎连接接口设计

2.1高温超导体磁通钉扎连接原理

2.2可重构接口的结构设计

2.3接口重构步骤及扩展设计

2.4本章小结

第3章 超导钉扎连接模块重构动力学分析

3.1冻结镜像模型的修正

3.2 Ampere电流环的磁场计算

3.3重构过程中的钉扎作用分析

3.4接口重构动力学模型

3.5接口重构动态响应

3.6本章小结

第4章 可重构接口重构实验验证

4.1强磁场电磁铁设计

4.2重构实验装置构建

4.3重构实验验证

4.4本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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