小型火箭式柔性空间飞行器展开过程数值仿真及特性分析

摘要

柔性空间飞行器是一种带有柔性织物并且可以伸展变形的轻型空间飞行器，其依靠小型固体火箭的推力完成空间释放及展开。其展开过程存在柔性体大变形运动以及多次刚体间接触碰撞作用，这些因素很容易引起系统结构的振动，影响飞行器的稳定性和姿态控制精度，甚至导致飞行器偏航、失稳等非预期结果。为了获得该空间飞行器展开过程的动态特性规律，本文建立了小型固体火箭发动机内弹道模型，获得了小型固体火箭推力数据;基于刚柔耦合动力学理论，应用多体动力学软件RecurDyn模拟了空间飞行器的展开过程，并分析了不同点火药量下空间飞行器的动态特性;同时对喷管不同斜切角布置时的动态特性进行了探讨。 主要研究内容包括以下几个方面: 1、针对柔性空间飞行器的轴向展开机构和径向展开机构，详细分析了飞行器的结构组成，规划柔性空间飞行器的工作流程，总结空间飞行器的工作特点和设计要求。 2、根据固体火箭发动机原理，建立了包含点火过程的小型固体火箭发动机内弹道模型，利用四阶龙格-库塔法对内弹道过程进行计算，获得了小型固体火箭内弹道压力和推力曲线，分析了小型固体火箭的工作特性。将计算结果与实验数据进行对比，验证了计算模型的准确性。 3、基于多体动力学软件RecurDyn的基础理论，建立柔性空间飞行器的多刚体模型，仿真计算获得飞行器径向展开过程的运动过程，分析了纯刚性机构径向展开过程的动态特性规律。 4、利用多体动力学软件RecurDyn中的柔体技术，基于刚柔耦合动力学原理，建立了含柔性伞衣的空间飞行器轴向展开过程的动力学模型，在多体动力学软件RecurDyn中进行约束施加、接触设置、外力施加等物理模型的建立，仿真获得柔性空间飞行器轴向展开过程的运动过程，详细分析了柔性空间飞行器的动力学特性。 5、为考察柔性伞衣对系统的柔性作用，对比分析了含伞衣和不含伞衣的空间飞行器的轴向展开过程;针对小型固体火箭的尺寸较小，点火药量占装药量比重大的特点，分析了不同点火药量时柔性空间飞行器各运动参数的变化情况;针对火箭喷管斜切角布置的选型，分析了不同喷管斜切角时柔性空间飞行器的工作特点和变化规律。 本文的研究不仅为小型柔性空间飞行器的优化设计、姿态稳定提供理论指导，还可为实际工程项目提供经验帮助。

目录

声明

摘要

1绪论

1．1课题背景及研究意义

1．2空间展开机构国内外研究现状

1．2．1空间展开机构的结构形式

1．2．2空间展开机构的发展方向

1．3刚柔耦合动力学理论研究现状

1．4本文的主要工作

2柔性空间飞行器工作原理

2．1引言

2．2可展开空间飞行器的设计要求

2．3柔性空间飞行器的组成

2．3．1径向展开机构

2．3．2释放火箭

2．3．3伸缩杆

2．3．4柔性伞衣

2．4柔性空间飞行器展开的工作过程及特点

2．4．1工作过程

2．4．2工作特点

2．5本章小结

3小型固体火箭发动机内弹道过程数值模拟

3．1引言

3．2物理模型

3．3数学模型

3．3．1基本假设

3．3．2内弹道方程组

3．4计算方法

3．4．2计算参数

3．4．3内弹道计算流程

3．5内弹道计算结果及实验对比

3．6点火药对小型火箭推力的影响

3．6．1小型固体火箭发动机的内弹道特点

3．6．2点火药对小型火箭推力的影响

3．7火箭喷管斜切角度对小型火箭推力的影响

3．8本章小结

第4章柔性空间飞行器展开过程动力学仿真研究

4．1引言

4．2多体动力学仿真软件——RecurDyn介绍

4．3 RecurDyn的基础理论

4．3．1坐标系统

4．3．2多刚体动力学广义递归算法

4．3．4接触理论

4．4柔性空间飞行器径向展开过程多刚体模型的建立及仿真分析

4．4．1径向展开过程多刚体模型的建立

4．4．2仿真结果分析

4．5柔性空间飞行器轴向展开过程刚柔耦合模型的建立及仿真分析

4．5．1 RecurDyn的柔体技术

4．5．2轴向展开过程刚柔耦合模型的建立

4．5．3仿真结果分析

4．6本章小结

5柔性空间飞行器展开过程影响因素分析

5．1引言

5．2伞衣的柔性作用对空间飞行器的影响

5．3点火药量对轴向展开过程的影响

5．3．1点火药量对飞行器运动速度和航程的影响

5．3．2点火药量对伞衣牵拉力的影响

5．3．3点火药量对飞行器姿态角的影响

5．3．4点火药量对飞行器振动情况的影响

5．4火箭喷管斜切角度对轴向展开过程的影响

5．4．2喷管斜切角对伞衣牵拉力的影响

5．4．3喷管斜切角对飞行器姿态角的影响

5．4．4喷管斜切角对飞行器振动情况的影响

5．5本章小结

6结论与展望

6．1本文工作总结

6．2展望

致谢

参考文献