航天器在轨可更换模块设计与分析

论文摘要

随着航天科技的飞速发展,在轨运行的航天器的数量日益增多,由于受发射费用和空间环境等因素的影响,很少对航天器进行如地面设备常有的维护、保养、升级等,况且航天器所处的空间环境复杂恶劣。因此航天器常在其任务中出现功能失效,造成巨大的损失。而在轨模块更换技术则是利用空间机械臂自主对可接受在轨服务航天器进行故障模块更换、升级、补充消耗品等。通过对航天器的失效设备或组件进行更换、对消耗品进行补给,既可以延长航天器的使用寿命还能保持任务的持续性；通过对陈旧部件进行升级,更换退化的电池和太阳阵等,可以提高航天器的性能；如果航天器组件能够进行在轨更换和升级,则部分组件不再需要进行冗余设计,降低了设计、制造以及发射成本。本文在上述背景下,通过对在轨可更换模块的更换方式以及设计准则等的了解,从而对在轨可更换模块进行机构和结构设计,并建立三维模型,对该三维模型进行运动学仿真以及有限元分析,主要研究工作如下：(1)通过对在轨服务技术以及在轨模块更换技术的背景、概念、工作原理、任务、更换方式、设计准则等的研究,提出在轨可更换模块的机构设计方案,并依据该方案进行结构设计,利用SolidWorks软件建立该结构的三维模型；(2)利用SolidWorks软件中的Motion插件通过添加实体接触、马达、弹簧等,对在轨可更换模块进行对接的运动仿真,验证在轨可更换模块机构与结构设计的合理性；(3)利用MSC.Patran&MSC.Nastran软件对在轨可更换模块进行静力分析、模态分析。本文对在轨模快更换技术进行研究,得出在轨可更换模块的机构和结构设计方案,将对未来空间在轨服务技术的发展具有一定的参考意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景和目的
• 1.2 航天器在轨服务的概念及意义
• 1.3 在轨服务技术的研究现状
• 1.3.1 有人在轨服务技术的研究现状
• 1.3.2 自主在轨服务技术研究现状
• 1.4 主要研究内容
• 1.5 本章小结
• 第2章 在轨模块更换技术组成及其工作原理
• 2.1 可接受在轨服务的目标航天器的设计技术
• 2.1.1 模块化航天器设计技术
• 2.1.2 在轨可更换模块设计技术
• 2.2 提供在轨服务的服务航天器设计技术
• 2.3 服务航天器在轨服务操作技术
• 2.3.1 交会对接技术
• 2.3.2 在轨模块更换技术
• 2.4 航天器在轨模块更换的工作原理
• 2.5 本章小结
• 第3章 在轨可更换模块机构与结构设计
• 3.1 在轨可更换模块的机构设计
• 3.1.1 ORU在轨更换的任务
• 3.1.3 ORU组件构成
• 3.1.4 ORU机构设计
• 3.2 ORU的结构设计及三维建模
• 3.2.1 SolidWorks三维建模功能简介
• 3.2.2 ORU结构设计及三维建模
• 3.3 ORU三维建模装配
• 3.4 ORU零件及装配体工程图的绘制
• 3.4.1 SolidWorks工程图绘制简介
• 3.4.2 ORU零件树
• 3.4.3 ORU零件及装配体工程图绘制
• 3.4.4 ORU零件生产加工及装配
• 3.5 本章小结
• 第4章 ORU对接计算机仿真
• 4.1 计算机仿真技术
• 4.2 计算机仿真软件
• 4.3 ORU对接机构计算机仿真
• 4.4 本章小结
• 第5章 ORU有限元分析
• 5.1 有限元分析法
• 5.2 有限元分析软件MSC.Patran & MSC.Natran
• 5.3 ORU有限元分析计算
• 5.3.1 ORU有限元模型
• 5.3.2 ORU静态分析
• 5.3.3 ORU模态分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论
• 参考文献
• 致谢