面向航天器对接接口的高温超导磁通钉扎连接技术研究

摘要

为了更好地探索和利用空间环境，需要在太空中搭建大型甚至巨型航天器。由于现有运载工具的运载能力有限，一次性将大型航天器发射升空比较困难，目前常采用的方式是在轨装配和交会对接，模块化设计后将分离模块分批分时发射升空，然后在太空中进行组装。但目前常用的几种组装形式在使用中也存在着一定的问题，诸如手工劳动强度大和机器人控制复杂的不足及航天器对接导航制导控制精度要求较高等，因此寻求一种航天器模块间的新型接口形式对于未来深空探测领域具有实用价值。
　　高温超导材料的磁悬浮特性为模块航天器接口设计提供了新的思考空间，本文将高温超导体的磁通钉扎效应应用到大型航天器设计中，提出了一种非接触式连接的超导磁通钉扎接口形式，该接口可实现航天器模块间的稳定连接。
　　本文在Kordyuk冻结镜像模型的基础上，考虑高温超导体材料性能对捕获磁场能力的影响，引入了捕获磁场系数，建立了冻结镜像修正模型。并基于该模型研究了高温超导体和磁体间的作用力、高温超导体和磁体间的连接刚度、以及高温超导体的钉扎有效作用范围的变化规律。利用冻结镜像修正模型解释了钉扎连接作用力的磁滞特性，深入分析了磁滞特性和场冷高度的关系。研究了捕获磁场系数和场冷高度的关系、优选了高温超导体和电磁铁配对时的尺寸参数。
　　基于冻结镜像修正模型和C-W方程，建立了钉扎航天器模块交会对接的轨道动力学模型。采用数值计算的方式仿真计算了钉扎航天器模块交会对接过程的时间响应，分析了高温超导磁通钉扎效应实现航天器模块交会对接的可行性，研究了钉扎对接接口的设计参数对时间响应的影响。
　　分析了高温超导磁通钉扎效应实现交会对接的原理，设计了基于此效应的钉扎对接接口及利用该接口的钉扎可重构结构。在分析钉扎对接接口的各组成部分及其功能的基础上，提出了实现交会对接及重构变形的控制策略。探讨了钉扎对接接口的可控性，分析了电流方向和大小对该对接接口作用力的影响。研究中将PD（Proportion and Differentiation）控制施加在钉扎对接接口上，获得了有无控制下交会对接的时间响应，分析了PD控制中的主要参数取值对该接口交会对接性能的影响。
　　研制了含有钉扎对接接口装置的零重力模拟实验平台。在该实验平台上进行不同条件下的模拟对接实验，获得了钉扎对接接口的模拟对接时间响应和幅频特性，并采用半功率法分析了钉扎对接接口的平均刚度、阻尼系数及阻尼比。总结了对接次数、场冷高度和初始偏离位移对模拟对接过程的影响规律，得到了不同条件下钉扎对接接口的动态连接特性，验证了超导磁通钉扎连接航天器的可行性。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的主要研究内容

第2章 高温超导磁通钉扎连接作用力和刚度研究

2.1 超导磁通钉扎连接作用力研究

2.2 超导磁通钉扎连接刚度研究

2.3 钉扎有效作用范围研究

2.4 本章小结

第3章 高温超导磁通钉扎连接轨道动力学建模及分析

3.1 模块化航天器相对运动理论基础

3.2 钉扎航天器的轨道动力学建模

3.3 钉扎航天器的交会对接仿真研究

3.4 本章小结

第4章 高温超导磁通钉扎接口设计及控制策略研究

4.1 超导钉扎对接接口的设计及分析

4.2 超导钉扎可重构结构的设计及分析

4.3 本章小结

第5章 高温超导磁通钉扎连接地面模拟实验研究

5.1 零重力模拟实验系统搭建及分析

5.2 零重力模拟对接实验及分析

5.3 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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