变结构微小空间飞行器释放与运动特性研究

摘要

变结构微小空间飞行器是一类具有伸展结构，在发射过程中从折叠状态展开至规定工作形态的飞行器，展开成型后空间飞行器将保持固定结构进入自由飞行阶段。本文针对其结构和工作特点，应用理论分析、数值模拟和试验研究相结合的手段，对变结构微小空间飞行器的释放发射、自由飞行过程进行了系统研究，获得了该飞行器运动特点和动力学特性，主要研究内容包括以下几方面:
　　 1.对变结构微小空间飞行器的主要工作系统，包括动力装置、轴向展开机构和径向展开机构等，完成了结构设计，并对各分系统的结构组成和工作原理进行了分析;对变结构微小空间飞行器系统的任务要求和主要计算参数进行了说明;建立了空间飞行器的时序工作流程方案，系统分析了各时序工作任务，得到了变结构微小空间飞行器在整个运行过程中的时序工作特点。
　　 2.设计了固体火箭发动机内弹道性能测试试验和变结构微小空间飞行器地面释放发射试验，对动力装置的工作性能和飞行器的释放发射过程进行了研究。采用高速摄像及多通道瞬态信号记录仪等试验仪器对试验过程进行记录和数据采集，初步探讨了点火药量对火箭发动机内弹道性能的影响，时序工作下的空间飞行器释放发射过程运动特点，获得了系统动力装置和整体释放发射的工作特点与运动发展历程，为数值模拟和工程设计提供了宝贵数据。
　　 3.建立了各分系统的数值研究模型，通过数值模拟分析得到各分系统的运动规律和工作性能。采用内弹道学和固体火箭发动机设计理论建立了动力装置的数值研究模型，并对释放火箭发动机进行了不同点火药量的数值研究，对比试验结果得到固体火箭发动机压力和推力性能随点火药量的变化规律;采用结构动力学方法描述柔性体变形的模态求解模型，结合接触碰撞的连续求解方法，建立了展开机构的动力学模型，通过数值研究得到了轴向展开机构和径向展开机构的运动特性和动力响应。
　　 4.变结构微小空间飞行器在释放发射过程中经历了轴向展开、径向展开两次主要结构变化，期间伴随接触碰撞等行为，系统的运动变化复杂。采用多体系统动力学方法对释放发射阶段的结构变化和系统动力学发展进行了数学描述，建立了变结构微小空间飞行器释放发生过程的数值研究模型，并对理想工况和非理想工况下飞行器绕行一周的轨道运动和姿态变化进行了研究分析，通过数值研究和试验研究得到了系统在释放发射过程中的运动特性和动力学响应，讨论了飞行器在不同初始条件下的姿态变化情况，获得飞行器系统工作姿态在不同工况下的变化规律。
　　 5.针对在长时间的运行过程中，空间飞行器系统能量缓慢损失的问题，引入能量耗散系数，推导建立变结构微小空间飞行器长期自由飞行过程能耗研究模型，探讨分析了在特定假设条件下，空间飞行器系统在线性耗散常系数和非线性抛物线型耗散系数作用下的一些轨道和姿态运动的变化情况，并通过数值仿真预测飞行器系统的稳定工作时长。
　　 本文研究不仅为飞行器结构变化动态研究提供途径，也可作为变结构微小飞行器系统结构工程设计与优化、姿态控制规划提供相应的理论依据。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 空间飞行器研究概况

1．2．2 空间飞行器研究方法发展与现状

1．3 本文研究主要内容

2 空间飞行器结构与任务要求

2．1 空间飞行器结构组成

2．1．1 动力装置

2．1．2 轴向展开机构

2．1．3 径向展开机构

2．1．4 防护蒙皮

2．2 空间飞行器系统任务及要求

2．2．1 任务要求

2．2．2 主要计算参数

2．3 空间飞行器工作流程及特点

2．3．1 工作流程

2．3．2 工作特点

2．4 本章小结

3 空间飞行器主要装置数值仿真及性能分析

3．1 发动机内弹道性能研究

3．1．1 释放火箭发动机数值仿真

3．1．2 旋转火箭发动机数值仿真

3．1．3 火箭发动机内弹道试验研究

3．1．4 发动机推力研究

3．1．5 释放火箭发动机压力峰值控制方法研究

3．2 展开机构数值模型

3．2．1 模态分析

3．2．2 柔性体运动模型

3．2．3 接触碰撞模型

3．2．4 动力学模型

3．3 轴向展开机构动态性能研究

3．3．1 模态分析结果

3．3．2 轴向展开运动分析

3．3．3 伸缩杆碰撞过程研究

3．4 径向展开机构性能及其影响研究

3．4．1 径向展开运动分析

3．4．2 径向展开动力学研究

3．5 本章小结

4 空间飞行器释放发射过程运动规律研究

4．1 释放发射过程建模

4．1．1 系统拓扑结构

4．1．2 系统拓扑构型的数学描述

4．1．3 参考坐标系

4．1．4 仿真基本假设和初始条件

4．1．5 空间飞行器释放发射过程数值模型

4．2 释放发射过程数值结果分析

4．2．1 结构变化运动分析

4．2．2 碰撞分析

4．2．3 姿态分析

4．3 空间飞行器地面发射试验研究

4．3．1 试验目的

4．3．2 试验仪器和保障设备

4．3．3 试验实施

4．3．4 试验现象与结果分析

4．4 计算结果与分析

4．4．1 点火药量对发射过程的影响

4．4．2 推力偏心对发射过程的影响

4．4．3 扭矩偏转对发射过程的影响

4．5 本章小结

5 空间飞行器自由飞行过程运动规律研究

5．1 自由飞行过程建模

5．1．1 参考坐标系与坐标转换

5．1．2 基本假设

5．1．3 初始条件

5．1．4 数值模型

5．2 计算结果与分析

5．2．1 理想自由飞行过程数值结果分析

5．2．2 初始运行速度对自由飞行过程的影响

5．2．3 入轨角度对自由飞行过程的影响

5．2．4 初始自旋速度对自由飞行过程的影响

5．2．5 初始姿态角对自由飞行过程的影响

5．3 能量耗散对稳定工作影响分析

5．3．1 绝对姿态运动模型

5．3．2 能量耗散运动模型

5．3．3 能量耗散稳定性研究

5．4 本章小结

6 结论与展望

6．1 论文主要工作总结

6．2 论文创新

6．3 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文