柔性自稳定空间电磁对接系统设计与实验研究

摘要

空间自主交会对接技术是在轨服务、空间救援、空间组装等新型航天任务的基础，是航天科学发展的重点方向。对接系统是自主交会对接技术的重要组成部分，电磁技术在空间对接系统的应用有效解决了基于推力器的传统对接系统具的有羽流污染、消耗推进剂和对接冲击等问题，因此空间电磁对接系统是前沿的研究热点方向，具有广阔的发展空间和应用前景。本文以航天器在轨加注为研究背景，利用电磁线圈本身所具有的特性，研究并设计了具有柔性、自稳定性质的空间电磁对接系统。以该电磁对接系统设计方案为研究对象，利用理论模型分析、有限元分析、地面实验的方法对设计方案的合理性和可行性进行了验证。
　　本研究主要内容包括：⑴提出了一种新型的电磁对接系统设计方案。利用电磁线圈的原理及特性，提出了电磁对接系统的设计思路，并对该系统进行了初步设计、结构设计、磁路设计以及参数设计；然后，建立了电磁对接系统设计方案的一维动力学模型，并利用数值仿真分析系统对接的动力学过程。仿真结果验证了电磁对接系统具有柔性、自稳定的特性，且设计方案合理可行。⑵基于能量守恒原理建立并分析系统的运动学模型。首先研究了电磁对接系统运动过程中能量的变化，分别描述对接系统具有的电磁能、机械能和感生热能；然后利用能量守恒定律反推动能变化规律，从而得到电磁对接系统的运动学模型；最后通过数值仿真，验证了设计方案的可行性和运动学模型的正确性。⑶完成了柔性自稳定电磁对接系统三维模型研究。运用Ansoft Maxwell工程电磁场软件分析计算了柔性自稳定电磁对接系统三维有限元模型；然后用Kriging函数模型对非线性程度高的计算结果样本点进行插值近似，得到了三维三自由度电磁对接系统运动过程中的动力学特性；结果表明电磁对接系统设计方案具有柔性、自稳定的性质，满足空间交会对接系统的任务需求。⑷构建了电磁对接机构地面实验系统。开展了电磁对接地面实验系统的设计和研制；进行了电磁对接系统原理实验研究，结合仿真结论分析实验现象，进一步证明对接系统设计方案的合理；进行了电磁对接系统机理实验研究，利用实验系统模拟不同工况的对接实验，分析对接系统设计方案参数对实验结果的影响，为下一步设计优化工作提供研究依据。

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第一章绪论

1 .1研究背景和意义

1 .2相关技术及其研究进展概述

1 .3论文内容

第二章电磁对接系统方案设计

2 .1引言

2 .2基本元件分析

2 .3设计方案

2 .4方案论证

2 .5小结

第三章电磁对接系统建模与数值仿真分析

3. 1引言

3 .2对接系统能量分析

3 .3对接系统电磁能计算

3 .4基于插值型求导法的感生热计算

3 .5电磁对接系统对接段能量分析

3 .6小结

第四章基于有限元方法的电磁对接系统三维仿真研究

4 .1引言

4. 2基于Ansoft电磁对接系统三维研究

4 .3基于Kriging模型的仿真实验结果分析

4 .4小结

第五章电磁对接系统地面实验研究

5 .1引言

5 .2实验系统

5 .3实验流程

5 .4实验结果及分析

5 .5小结

第六章总结与展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果