衛(wèi)星分離動力學思考

1、衛(wèi)星分離動力學思考 動力學與控制學報2014年第二期 1分離過程運動分析 衛(wèi)星在空間中處于微重力狀態(tài)，子星與分離平臺起初以相同的速度運動，定義運動方向為x軸。建立衛(wèi)星分離模型如圖1，分離機構(gòu)固定于母星適配器上，通過彈簧作用，頂球與推桿固連，直接與子星適配器接觸 11分離速度假設(shè)分離速度方向與衛(wèi)星初始速度方向相同，在分離的過程中由動量，能量均守恒，得到分離的速度 12分離角速度飛行器的姿態(tài)運動是飛行器繞自身質(zhì)心的轉(zhuǎn)動運動姿態(tài)動力學方程可從剛體的動量矩公式和定理導(dǎo)出。在本體轉(zhuǎn)動過程中，慣量陣為非常值矩陣，不便于動力學分析為此，需在本體坐標系中獲得常量慣性陣，同時在本體坐標系中描述角動量及角動量定理

2、，即在動坐標中描述矢量相對固定參考坐標的變化設(shè)有本體矢量a，在參考坐標系中該矢量為a，則有a=aa，對其求微分可得:方程(16)即衛(wèi)星分離過程的姿態(tài)動力學方程，采用4節(jié)龍格庫塔迭代可得分離角速度外力矩m可根據(jù)具體情況確定 13衛(wèi)星分離算例參考文獻5中衛(wèi)星的慣性參數(shù)，母子飛行器主要參數(shù)選取如下:模擬空間軌道運行，初速度vx=76km/s給定彈簧初始壓縮量20mm，剛度5n/mm，阻尼系數(shù)03ns/m在adams中輸入母子星參數(shù)，編寫描述式仿真程序得到計算與仿真結(jié)果如表1由表1可見，在所選參數(shù)情況下，理論計算結(jié)果與仿真結(jié)果較為接近理論計算中未考慮彈簧橫向力以及阻尼對分離過程的影響，使分離徑向速度與

3、角速度存在一定誤差，實際設(shè)計中應(yīng)參考仿真與實驗結(jié)果 2參數(shù)化分析 影響分離后母子星狀態(tài)的參數(shù)很多，包括彈簧剛度系數(shù)，彈簧初始壓縮量，子星質(zhì)量等為確定其對分離姿態(tài)產(chǎn)生的影響，對各參數(shù)進行定量分析 21彈簧剛度在原始模型基礎(chǔ)上，保證其他參數(shù)不變，對彈簧剛度系數(shù)進行參數(shù)化分析，取彈簧剛度系數(shù)別51000n/mm計算與仿真得到分離相對速度如圖2由圖2可見，仿真結(jié)果與理論分析結(jié)果基本吻合在其它參數(shù)不變的情況下，分離速度隨彈簧剛度的二分之一次方呈線性增長關(guān)系，與動力學分析一致。 22彈簧壓縮量同樣保證其它參數(shù)不變，對彈簧初始壓縮量進行參數(shù)化分析，設(shè)置彈簧剛度為5n/mm，初始壓縮量為2040mm，分離速度

4、如圖3在圖3中，仿真與理論結(jié)果基本吻合其它參數(shù)不變時，分離速度隨彈簧初始壓縮量的增大而增大23子星質(zhì)量保證母星質(zhì)量2000kg不變，取子星質(zhì)量0530kg，計算分離相對速度如圖4由圖4可見，分離速度隨著子星質(zhì)量的增大而減小，且大致呈反比關(guān)系當子星質(zhì)量為1030kg時，對分離速度的影響相對較小 3不同分離方案比較 在分離過程中，各種安裝偏差與參數(shù)誤差均可產(chǎn)生外力矩，使子飛行器產(chǎn)生角速度，導(dǎo)致子飛行器產(chǎn)生發(fā)射角度誤差在此選用單個彈簧分離機構(gòu)與四個彈簧并聯(lián)分離機構(gòu)(如圖5)，研究子飛行器的安裝位置偏差與姿態(tài)角偏差對發(fā)射角速度的影響，比較兩機構(gòu)的抗干擾能力 31子星安裝位置偏差保證其他仿真參數(shù)不變，令

5、子星出現(xiàn)安裝位置偏差，即模型中使子星位置沿y向移動a(mm)子星分離角速度隨偏差量變化如圖6由上圖6可見，對于子星安裝位置偏差，相比于單根彈簧的分離機構(gòu)，四個彈簧并聯(lián)使得分離角速度變化較小，具有較好的抗干擾能力這主要由于四個彈簧分布于子星四周，當子星發(fā)生偏移時，產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)力矩較一個彈簧的情況下小，所引起的分離角速度較小 32子星安裝角度偏差當子飛行器安裝姿態(tài)出現(xiàn)偏角時，同樣可導(dǎo)致分離角度發(fā)生誤差設(shè)子飛行器產(chǎn)生的偏角為，即子飛行器繞z軸逆時針旋轉(zhuǎn)角比較兩種分離機構(gòu)分離角速度隨偏角的變化，如圖7在子星安裝角度偏差的情況下，單個彈簧比多個彈簧的分離機構(gòu)更為優(yōu)越相同的姿態(tài)偏角下，單個彈簧所引起的分離角

6、速度較小，主要是由于個彈簧彈力作用于子星質(zhì)心，引起的偏轉(zhuǎn)力矩較小實際設(shè)計中應(yīng)考慮安裝位置偏差與姿態(tài)偏差的綜合影響，根據(jù)實際情況選擇有利的分離機構(gòu)方案 4結(jié)論 本文針對衛(wèi)星空間二次分離過程，運用理論與仿真方法，對衛(wèi)星分離后的姿態(tài)進行了定性與定量分析研究了彈簧剛度，彈簧初始壓縮量，子星質(zhì)量對分離速度的影響其中子星分離速度與彈簧剛度的二分之一次方呈線性遞增關(guān)系，與彈簧壓縮量呈線性遞增關(guān)系，與子星質(zhì)量呈反比遞減關(guān)系對于單個彈簧和多個彈簧的分離機構(gòu)，分別進行了安裝位置偏差和姿態(tài)角偏差的故障分析單個彈簧對于安裝角度偏差的抗干擾能力較強，而多個彈簧的分離機構(gòu)能較好地抵抗安裝位置偏差的影響兩種方案各有利弊，設(shè)計時應(yīng)根據(jù)實際情況選擇運用adams對空間飛行器進行地面仿真，避免了慣常的系統(tǒng)動力學分析嚴重滯后于設(shè)計以及