空間對接機(jī)構(gòu)緩沖試驗臺對連接分離試驗的影響分析論文
引言
空間對接機(jī)構(gòu)是運輸飛船與空間站實現(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臺來模擬試驗.該試驗臺是我國首創(chuàng)的對接機(jī)構(gòu)緩沖試驗裝置，設(shè)想通過該試驗臺進(jìn)行對接分離過程的全物理全過程試驗，驗證對接機(jī)構(gòu)設(shè)計的正確性.
從理論上開展了緩沖試驗臺對連接分離的影響分析，論述了地面模擬試驗和空間零重力環(huán)境下兩飛行器在分離瞬間的運動對比情況;最后通過建立空間對接機(jī)構(gòu)和緩沖試驗臺的全數(shù)字虛擬樣機(jī)模型及相應(yīng)的仿真計算，對理論分析的結(jié)果進(jìn)行了驗證.
1緩沖試驗臺的結(jié)構(gòu)及參數(shù)緩沖試驗臺的結(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;緩沖試驗臺主要影響參數(shù):重力平衡裝置，緩沖試驗臺機(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。
緩沖試驗臺理論模型和空間零重力理論模型兩種情況下的運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)緩沖試驗臺在我們關(guān)心的精度范圍內(nèi)真實反映了空間零重力環(huán)境下的分離運動情況.
3虛擬樣機(jī)動力學(xué)仿真
依據(jù)空間對接機(jī)構(gòu)和緩沖試驗臺的性能參數(shù)與設(shè)計原理，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)抽取了地面試驗中的一組工況，給出了兩種模型計算出的結(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)緩沖試驗臺對連接分離試驗不會帶來影響，利用緩沖試驗臺進(jìn)行的地面連接分離試驗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)緩沖試驗臺對分離試驗的影響，同時建立了相應(yīng)的全數(shù)字樣機(jī)模型.理論分析和仿真計算結(jié)果表明，緩沖試驗臺能夠模擬空間零重力環(huán)境下運輸飛船和空間站的分離過程與運動特性，從而確認(rèn)了在地面上獲得的大量分離試驗數(shù)據(jù)真實有效.
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