空間對接機構緩沖試驗臺對連接分離試驗的影響分析論文
引言
空間對接機構是運輸飛船與空間站實(shí)現空間交會(huì )對接的關(guān)鍵機構.當兩個(gè)交會(huì )的飛行器滿(mǎn)足一定的對接初始條件后，從接觸的瞬間起，對接機構需完成捕獲、緩沖、校正、拉近和密封連接等一系列連接功能，并滿(mǎn)足一定的姿態(tài)和速度要求的安全分離功能.空間對接機構對兩飛行起的對接、分離成功起著(zhù)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(guò)程和分離過(guò)程，特別研制了緩沖試驗臺來(lái)模擬試驗.該試驗臺是我國首創(chuàng )的對接機構緩沖試驗裝置，設想通過(guò)該試驗臺進(jìn)行對接分離過(guò)程的全物理全過(guò)程試驗，驗證對接機構設計的正確性.
從理論上開(kāi)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(dòng)對比情況;最后通過(guò)建立空間對接機構和緩沖試驗臺的全數字虛擬樣機模型及相應的仿真計算，對理論分析的結果進(jìn)行了驗證.
1緩沖試驗臺的結構及參數緩沖試驗臺的結構簡(jiǎn)圖，空間對接機構包含主動(dòng)對接機構和被動(dòng)對接機構，主動(dòng)對接機構與主動(dòng)飛行器相連，稱(chēng)之為主動(dòng)端左端所示，被動(dòng)對接機構與目標飛行器相連稱(chēng)之為被動(dòng)端右端所示.為方便研究，本文取其中之一的主動(dòng)端單體作為研究對象，坐標系的定義.
為了用數學(xué)模型來(lái)分析描述飛行器在分離時(shí)的運動(dòng)特性，本文提取了飛行器和對接機構的主要力學(xué)和物理參數:飛行器的質(zhì)量慣量特性，對接機構的分離推桿和對接鎖系的力學(xué)參數以及由它們在分離過(guò)程中產(chǎn)生的附加力矩等等;緩沖試驗臺主要影響參數:重力平衡裝置，緩沖試驗臺機械裝置的摩擦阻力矩等.
2兩種模型結果對比
將各類(lèi)輸入條件如質(zhì)量慣量特性、作用載荷、空間對接機構尺寸等帶入式(7)和式(8)可以分別獲得各個(gè)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(dòng)方程在形式上是一致的，都是由第二類(lèi)拉格朗日方程導出，由動(dòng)力學(xué)方程式(7)和式(8)計算結果的比較，主要區別在于:
(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(gè)方程，這個(gè)方程與其它自由度的藕合體現在力向量中，但其它5個(gè)方程并不與它發(fā)生藕合;
(2)緩沖試驗臺中的二維轉臺與模擬器并非完全一體，發(fā)生俯仰角后導致總的繞y軸的轉動(dòng)慣量發(fā)生變化，體現在D和D1陣中;
(3)為分離推桿與對接鎖解鎖時(shí)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(shí)間(毫秒級).可以看出兩種模型得到的結果除滾轉角速度外基本一致，但滾轉角速度由于本身量級就非常小(10 - 3 deg 以下)，本文認為該差別可以忽略.
(4)緩沖試驗臺在我們關(guān)心的精度范圍內真實(shí)反映了空間零重力環(huán)境下的分離運動(dòng)情況.
3虛擬樣機動(dòng)力學(xué)仿真
依據空間對接機構和緩沖試驗臺的性能參數與設計原理，建立了兩種理論模型的全數字虛擬樣機模型。
本文隨機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果對比，在滾轉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值卻非常小(基本在10-3 deg /sec量級)，可以認為兩者沒(méi)有影響，同樣在橫向(Y向偏航和Z向俯仰)的線(xiàn)速度相比分離方向小了2個(gè)數量級(毫米級)，本文就不贅述列舉.和分離推桿作用力相關(guān)，當最后一把對接鎖解鎖時(shí)，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(huì )相對較大，使得飛行器姿態(tài)角速度有一個(gè)“糾偏”動(dòng)作，表現在分離曲線(xiàn)上就會(huì )出現，地面試驗曲線(xiàn)與仿真曲線(xiàn)比較吻合，后續會(huì )進(jìn)行相關(guān)報道.從仿真結果上進(jìn)行橫向比較，兩種狀態(tài)在分離速度上非常接近，可以認為沒(méi)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果比值在1的附近.依據以上分析結果可以推斷，空間對接機構緩沖試驗臺對連接分離試驗不會(huì )帶來(lái)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(guò)程.
4結論
本文從理論上論述了空間對接機構緩沖試驗臺對分離試驗的影響，同時(shí)建立了相應的全數字樣機模型.理論分析和仿真計算結果表明，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(guò)程與運動(dòng)特性，從而確認了在地面上獲得的大量分離試驗數據真實(shí)有效.
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