空間對接機(jī)構(gòu)緩沖試驗(yàn)臺對連接分離試驗(yàn)的影響分析論文
引言
空間對接機(jī)構(gòu)是運(yùn)輸飛船與空間站實(shí)現(xiàn)空間交會對接的關(guān)鍵機(jī)構(gòu).當(dāng)兩個交會的飛行器滿足一定的對接初始條件后，從接觸的瞬間起，對接機(jī)構(gòu)需完成捕獲、緩沖、校正、拉近和密封連接等一系列連接功能，并滿足一定的姿態(tài)和速度要求的安全分離功能.空間對接機(jī)構(gòu)對兩飛行起的對接、分離成功起著至關(guān)重要的作用，因此，如何做好充分的地面模擬試驗(yàn)非常重要.
為了模擬太空零重力下的對接過程和分離過程，特別研制了緩沖試驗(yàn)臺來模擬試驗(yàn).該試驗(yàn)臺是我國首創(chuàng)的對接機(jī)構(gòu)緩沖試驗(yàn)裝置，設(shè)想通過該試驗(yàn)臺進(jìn)行對接分離過程的全物理全過程試驗(yàn)，驗(yàn)證對接機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性.
從理論上開展了緩沖試驗(yàn)臺對連接分離的影響分析，論述了地面模擬試驗(yàn)和空間零重力環(huán)境下兩飛行器在分離瞬間的運(yùn)動對比情況;最后通過建立空間對接機(jī)構(gòu)和緩沖試驗(yàn)臺的全數(shù)字虛擬樣機(jī)模型及相應(yīng)的仿真計(jì)算，對理論分析的結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證.
1緩沖試驗(yàn)臺的結(jié)構(gòu)及參數(shù)緩沖試驗(yàn)臺的結(jié)構(gòu)簡圖，空間對接機(jī)構(gòu)包含主動對接機(jī)構(gòu)和被動對接機(jī)構(gòu)，主動對接機(jī)構(gòu)與主動飛行器相連，稱之為主動端左端所示，被動對接機(jī)構(gòu)與目標(biāo)飛行器相連稱之為被動端右端所示.為方便研究，本文取其中之一的主動端單體作為研究對象，坐標(biāo)系的定義.
為了用數(shù)學(xué)模型來分析描述飛行器在分離時的運(yùn)動特性，本文提取了飛行器和對接機(jī)構(gòu)的主要力學(xué)和物理參數(shù):飛行器的質(zhì)量慣量特性，對接機(jī)構(gòu)的分離推桿和對接鎖系的力學(xué)參數(shù)以及由它們在分離過程中產(chǎn)生的附加力矩等等;緩沖試驗(yàn)臺主要影響參數(shù):重力平衡裝置，緩沖試驗(yàn)臺機(jī)械裝置的摩擦阻力矩等.
2兩種模型結(jié)果對比
將各類輸入條件如質(zhì)量慣量特性、作用載荷、空間對接機(jī)構(gòu)尺寸等帶入式(7)和式(8)可以分別獲得各個自由度方向的分離速度。
緩沖試驗(yàn)臺理論模型和空間零重力理論模型兩種情況下的運(yùn)動方程在形式上是一致的，都是由第二類拉格朗日方程導(dǎo)出，由動力學(xué)方程式(7)和式(8)計(jì)算結(jié)果的比較，主要區(qū)別在于:
(1)兩者自由度不同，空間比緩沖試驗(yàn)臺多了關(guān)于質(zhì)心y向位移的第二個方程，這個方程與其它自由度的藕合體現(xiàn)在力向量中，但其它5個方程并不與它發(fā)生藕合;
(2)緩沖試驗(yàn)臺中的二維轉(zhuǎn)臺與模擬器并非完全一體，發(fā)生俯仰角后導(dǎo)致總的繞y軸的轉(zhuǎn)動慣量發(fā)生變化，體現(xiàn)在D和D1陣中;
(3)為分離推桿與對接鎖解鎖時引起的初始俯仰角和偏航角，t為對接鎖解鎖到飛行器分離所需的時間(毫秒級).可以看出兩種模型得到的結(jié)果除滾轉(zhuǎn)角速度外基本一致，但滾轉(zhuǎn)角速度由于本身量級就非常小(10 - 3 deg 以下)，本文認(rèn)為該差別可以忽略.
(4)緩沖試驗(yàn)臺在我們關(guān)心的精度范圍內(nèi)真實(shí)反映了空間零重力環(huán)境下的分離運(yùn)動情況.
3虛擬樣機(jī)動力學(xué)仿真
依據(jù)空間對接機(jī)構(gòu)和緩沖試驗(yàn)臺的性能參數(shù)與設(shè)計(jì)原理，建立了兩種理論模型的全數(shù)字虛擬樣機(jī)模型。
本文隨機(jī)抽取了地面試驗(yàn)中的一組工況，給出了兩種模型計(jì)算出的結(jié)果對比，在滾轉(zhuǎn)方向上的角速度雖然兩者的離散性比較大，但是它們本身的絕對數(shù)值卻非常小(基本在10-3 deg /sec量級)，可以認(rèn)為兩者沒有影響，同樣在橫向(Y向偏航和Z向俯仰)的線速度相比分離方向小了2個數(shù)量級(毫米級)，本文就不贅述列舉.和分離推桿作用力相關(guān)，當(dāng)最后一把對接鎖解鎖時，分布在該方向上的分離推桿由于被壓縮的相對厲害，產(chǎn)生的推力會相對較大，使得飛行器姿態(tài)角速度有一個“糾偏”動作，表現(xiàn)在分離曲線上就會出現(xiàn)，地面試驗(yàn)曲線與仿真曲線比較吻合，后續(xù)會進(jìn)行相關(guān)報道.從仿真結(jié)果上進(jìn)行橫向比較，兩種狀態(tài)在分離速度上非常接近，可以認(rèn)為沒有差異;在偏航和俯仰方向兩種狀態(tài)的角速度也非常接近，基本上兩種模型的結(jié)果比值在1的附近.依據(jù)以上分析結(jié)果可以推斷，空間對接機(jī)構(gòu)緩沖試驗(yàn)臺對連接分離試驗(yàn)不會帶來影響，利用緩沖試驗(yàn)臺進(jìn)行的地面連接分離試驗(yàn)可以有效反映空間零重力環(huán)境的分離過程.
4結(jié)論
本文從理論上論述了空間對接機(jī)構(gòu)緩沖試驗(yàn)臺對分離試驗(yàn)的影響，同時建立了相應(yīng)的全數(shù)字樣機(jī)模型.理論分析和仿真計(jì)算結(jié)果表明，緩沖試驗(yàn)臺能夠模擬空間零重力環(huán)境下運(yùn)輸飛船和空間站的分離過程與運(yùn)動特性，從而確認(rèn)了在地面上獲得的大量分離試驗(yàn)數(shù)據(jù)真實(shí)有效.
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