类杆—锥式对接机构碰撞过程仿真研究

论文摘要

在轨服务技术的发展促进了空间自主对接技术的发展,空间自主对接需要有小型快速的通用对接平台,围绕对接机构设计过程中缓冲阻尼系统的设计,本文进行了相关研究工作,主要内容包括以下几个方面:对国内外早期到正在研发的对接机构进行了分析总结,比较了不同机构形式对于空间任务的适应性,对交会对接和在轨服务相关技术进行了总结,并指出了自主对接技术的发展方向,且需要对接机构具有通用性,快速性,能重复使用的特点。本文还介绍了满足这些要求的小型自主对接机构设计原则和工作原理。对接过程的成败在于捕获,而校正初始位姿误差,实现捕获需要良好的缓冲阻尼系统,本文后两章主要针对缓冲系统设计展开研究,建立了接触点计算模型,选用了赫兹接触力模型,通过等效刚度模型和等效质量模型将原有机构进行简化,并综合利用虚功原理建立了两飞行器空间交会对接时捕获阶段的动力学模型。给出了缓冲力,缓冲力矩,接触力矩,外力等独立模型。在既有设计要求下,为了验证机构设计、检验机构性能,通过大量计算机仿真提出了缓冲系统参数确定方法,给出了不同初始条件下缓冲参数优选范围并进行了评估与验证工作。针对缓冲参数选择对对接性能的影响与评估,本文从一个新角度进行考虑:将两飞行器对接碰撞时进行缓冲的整个过程,看作是缓冲阻尼系统在受到外力(碰撞力)作用下的响应,衡量缓冲系统缓冲性能。通过大量的仿真计算,分析了不同缓冲阻尼系统参数对动力学特性的影响,提出了一种利用仿真对缓冲系统参数进行优选的方法,并给出缓冲系统等效刚度系数和等效阻尼系数的优选范围。仿真结果表明,此种方法缩短了缓冲参数设计、优选的时间,减少了工作量,有助于对接机构设计。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景和意义
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 课题研究的目的和意义
• 1.2 空间交会对接技术发展概况
• 1.2.1 空间交会对接技术发展概况
• 1.2.2 交会对接机构发展
• 1.3 小型自主对接机构介绍
• 1.4 动力学建模及缓冲参数设计发展概况
• 1.5 本论文主要研究内容
• 第2章 接触碰撞点模型
• 2.1 小型自主对接机构的组成及工作原理
• 2.1.1 小型自主对接机构的组成
• 2.1.2 小型自主对接机构的工作过程
• 2.2 动力学模型简化
• 2.3 接触碰撞点模型
• 2.3.1 伸缩杆简化为直线
• 2.3.2 伸缩杆头部简化为圆台
• 2.4 本章小结
• 第3章 捕获阶段碰撞过程动力学模型
• 3.1 对接碰撞过程动力学模型
• 3.2 接触碰撞力模型
• 3.3 对接机构缓冲力模型
• 3.4 本章小结
• 第4章 动力学仿真及缓冲参数分析
• 4.1 捕获阶段的动力学仿真
• 4.1.1 仿真流程
• 4.1.2 初始条件
• 4.1.3 缓冲系统刚度系数影响规律
• 4.2 缓冲系统参数优选
• 4.2.1 缓冲力规律性分析
• 4.2.2 缓冲系统参数最优范围
• 4.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢