第27講航天器物理仿真技術(shù)

1、航天器原理第27講航天器物理技術(shù)主講：劉睿西北工業(yè)大學(xué) 精確制導(dǎo)與內(nèi)容概要1、2、系統(tǒng)的對象系統(tǒng)分類3、航天器物理技術(shù)1、系統(tǒng)的對象目前開展科學(xué)試驗有兩種途徑：一是在客觀世界的原型上進行飛機或火箭的飛行試驗二是用原型代替物(模型)試驗1、系統(tǒng)的對象的對象：敏感器器系統(tǒng)（部件角度）執(zhí)行機構(gòu)動力學(xué)系統(tǒng)本體地球、太陽、月亮、恒星等空間環(huán)境2、系統(tǒng)的分類根據(jù)所介入模型的不同，將仿真方法分為兩類：l 數(shù)學(xué)l 物理數(shù)學(xué)是在計算機上對動力學(xué)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型進行實驗。模型包括：(1)空間環(huán)境模型(地球：地球引力場、磁場、太陽輻射壓、日月引力攝動、大氣阻力等；行星際或恒星際飛船：其它星體影響因素)(2)軌道姿態(tài)運

2、動學(xué)和動力學(xué)(3)導(dǎo)航、制導(dǎo)與系統(tǒng)數(shù)學(xué)最關(guān)鍵的問題是能建立精確反映系統(tǒng)性能的數(shù)學(xué)模型，兩種途徑：l 理論建模l 試驗建模一個復(fù)雜動力學(xué)系統(tǒng)建模常常需要兩種方法并用，理論模型不僅需要通過試驗取得相關(guān)參數(shù)，也有待于通過試驗驗證和修正。數(shù)學(xué)數(shù)學(xué)的局限性：(1) 數(shù)學(xué)模型很難精確概括實際系統(tǒng)的全部細節(jié)，而某些細節(jié)的局部誤差可能使系統(tǒng)性能發(fā)生質(zhì)的變化；(2) 某些環(huán)境或干擾對部件性能的影響很難建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型。物理將動力學(xué)系統(tǒng)(包括：敏感器、器、執(zhí)行機構(gòu)、本體、空間環(huán)境)整體或部分用硬件來實現(xiàn)；一個已研制出來的復(fù)雜系統(tǒng)在上天之前有必要在地面對它做出綜合性能的定量評價，物理統(tǒng)性能鑒定和優(yōu)化設(shè)計的是系。3

3、、航天器物理技術(shù)物理的對象：敏感器器系統(tǒng)（部件角度）執(zhí)行機構(gòu)動力學(xué)系統(tǒng)本體地球、太陽、月亮、恒星等空間環(huán)境航天器物理技術(shù)物理中，本體的模型由運動模擬器來實現(xiàn);運動模擬器是用來模擬設(shè)備，分為兩類：l 轉(zhuǎn)臺l 氣浮臺運動的轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)臺僅能模擬的姿態(tài)運動；根據(jù)用途不同轉(zhuǎn)臺分為單軸、兩軸、三軸幾種形式。單軸轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)臺主要用三軸轉(zhuǎn)臺，敏感器安裝在轉(zhuǎn)臺內(nèi)框的安裝平臺上，就能測量轉(zhuǎn)臺的姿態(tài)變化；三軸轉(zhuǎn)臺各個框架的運動受計算機的。三軸轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)臺用轉(zhuǎn)臺來模擬姿態(tài)運動時，可以將系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)和姿態(tài)敏感器硬件接入到回路，需要借助計算機完成：(1)解算航天器動力學(xué)和運動學(xué)模型，進行坐標(biāo)變換；(2)通過接口接收航天器系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)

4、輸出的指令；(3)轉(zhuǎn)臺運動。氣浮臺氣浮臺作為運動模擬器，用來模擬剛性本體；動力學(xué)和運動學(xué)的完全計算由氣浮臺來實現(xiàn)，不需要機解算；執(zhí)行機構(gòu)、敏感器、有效載荷、撓性帆板等直接安裝在氣浮臺上。氣浮臺利用氣浮臺進行物理是航天器特有的方法。當(dāng)高壓氣體從底座通入時，在空氣軸承與軸承座之間形成一層氣膜，使臺體浮起，實現(xiàn)無摩擦相對運動。撓性物理系統(tǒng)氣浮臺氣浮臺主要用來研究難于建立精確數(shù)學(xué)模型的部件對系統(tǒng)性能的影響，例如飛輪的干摩擦、斜裝輪的三軸耦合、太陽帆板撓性等；氣浮臺可以分為三大類： (1)氣浮平臺(2) 轉(zhuǎn)動氣浮臺(3) 復(fù)合氣浮臺氣浮平臺氣浮平臺氣浮平臺由平臺和漂浮體組成， 漂浮體可進行兩自由度的平動

5、， 也可進行一自由度垂直于臺面的轉(zhuǎn)動。氣浮平臺氣浮平臺的臺面通常是或花崗巖制成，有很高的水平度和平滑度；大多數(shù)情況下，漂浮體自帶氣體用以產(chǎn)生高壓空氣墊；主要用于研究編隊飛行、空間抓捕、交匯對接近程導(dǎo)引階段控制等問題。斯坦福大學(xué)空間人的兩機械臂機械臂和目標(biāo)體可以在光滑花崗巖臺面上自由移動(1.8m×3.7m)用來研究人在軌接近、服務(wù)和維修工程中的一些問題氣浮平臺舉例斯坦福大學(xué)編隊飛行實驗臺該氣浮臺包括三個自由飛行的空間人，一個裝推力器，兩個裝推力器+飛輪大理石平臺(2.7m×3.7m)氣浮平臺舉例西北工業(yè)大學(xué)精確制導(dǎo)與-大理石平臺和智能浮體模擬器漂相對運動、編隊6m×

6、;9m平臺推力器+飛輪精確驗證氣浮平臺舉例轉(zhuǎn)動氣浮臺轉(zhuǎn)動氣浮臺轉(zhuǎn)動氣浮臺具有固定基座，可進行單軸或三軸轉(zhuǎn)動，分為單軸氣浮臺和三軸氣浮臺兩種。單軸氣浮臺單軸氣浮臺的臺體僅能支撐面的軸旋轉(zhuǎn)。垂直單軸氣浮臺適用性分析由航天器姿態(tài)動力學(xué)方程可知， 航天器繞其俯仰軸的運動是近似獨立的，故單軸氣浮臺主要用于模擬俯仰軸的運動。航天器線性化姿態(tài)動力學(xué)方程：ì M= I j + (I- I )y + (Iw j- I- I )2xxyzxyz0ïíM y = I yqï M= I y - (I- I )j + (Iw y- I- I )2îzzyzxyz0單軸氣

7、浮臺適用性分析當(dāng)航天器各軸慣量基本相同，而且忽略軌道角速度耦合作用時；或者航天器繞中心引力體旋轉(zhuǎn)的軌道角速度很小，例如同步軌道；可以得到解耦動力學(xué)方程ìMx = IxjïM= I qíyyïM= I yîzz三個通道運動是單軸氣浮臺進行實驗的，也可用三軸氣浮臺三軸氣浮臺是在單軸轉(zhuǎn)動的基礎(chǔ)上又增加了繞平行于支撐面的本體軸的轉(zhuǎn)動。三軸氣浮臺三軸氣浮臺世界各國的三軸氣浮臺可按結(jié)構(gòu)不同分為三類：傘型三軸氣浮臺桌面型三軸氣浮臺啞鈴型三軸氣浮臺傘型三軸氣浮臺傘形氣浮臺的平臺表面通過一根伸長桿連接在整個球形空氣軸承上，負載放置在臺面外側(cè)。桌面型三軸氣浮臺負載

8、平臺通常直接安裝在半球空氣軸承的平面上，各部分的組件放在這個負載平臺上。啞鈴型三軸氣浮臺負載平臺就安裝在空氣軸承伸長桿的兩端。伸長桿是中空的，里面可以安裝兩負載平臺的通信線路。啞鈴型三軸氣浮臺可以繞偏航軸和滾動軸360度自由旋轉(zhuǎn)，這是氣浮設(shè)備極具意義的創(chuàng)新。下圖是密歇根大學(xué)的啞鈴型三軸氣浮臺啞鈴型三軸氣浮臺下圖是美國啞鈴型三軸氣浮臺技術(shù)的復(fù)合氣浮臺復(fù)合氣浮臺復(fù)合氣浮臺是上述兩種類型氣浮臺的結(jié)合。包括平面和轉(zhuǎn)動運動，可以提供六個完整的自由度。復(fù)合型氣浮臺主要用于航天器交匯對接和編隊飛行等試驗中。復(fù)合氣浮裝置NASA的噴氣推進（JPL）開發(fā)的具有五自由度的氣浮臺（平面兩個自由度的運動，桌面型三軸氣

9、浮臺，具有三自由度的轉(zhuǎn)動運動）氣浮臺氣浮臺作為動力學(xué)設(shè)備，要根據(jù)特定物理系統(tǒng)要求來設(shè)計。對氣浮臺的要求：(1) 對運動自由度的要求(2) 對氣浮臺承載能力的要求(3)氣浮臺各軸轉(zhuǎn)動慣量要求(4)氣浮臺各軸干擾力矩要求(5)氣浮臺連續(xù)工作時間要求(6)對氣浮臺角位置測量要求氣浮臺(1)對運動自由度的要求如果要求姿態(tài)運動是三自由度， 一般氣浮臺最好是三自由度的，但 有些情況下（例如三軸姿態(tài)解耦），氣浮臺也單自由度的。氣浮臺(2)對氣浮臺承載能力的要求物理時要將系統(tǒng)部分或全部實物部件置于臺上，因此氣浮臺的承載能力要根據(jù)裝載仿真計。系統(tǒng)實物部件等的質(zhì)量來設(shè)氣浮臺(3)氣浮臺各軸轉(zhuǎn)動慣量要求全物理實驗要

10、求氣浮臺與實際具有相等的慣量，或者兩者的慣量比等于試驗時執(zhí)行機構(gòu)控制力矩與實際執(zhí)行機構(gòu)力矩之比，使兩者的角度相一致。氣浮臺(4)氣浮臺各軸干擾力矩物理中作用在氣浮臺各軸的干擾力矩值應(yīng)盡可能小。一般模擬中、高軌道時，ü各軸干擾力矩在數(shù)量級10-4N·m；模擬低軌道時，各軸干擾ü力矩可在10-3 10-2 N·m之間。氣浮臺(5)氣浮臺連續(xù)工作時間要求以中低軌道一般要求一次試驗為例，試驗，氣浮臺能連續(xù)工作12個軌道運行周期時間。氣浮臺(6)對氣浮臺角位置測量要求為檢測系統(tǒng)的技術(shù)性能，一般要求氣浮臺具有高精度、高穩(wěn)定度的測角功能。3、航天器物理技術(shù)物理的對象：

11、敏感器器系統(tǒng)（部件角度）執(zhí)行機構(gòu)動力學(xué)系統(tǒng)本體地球、太陽、月亮、恒星等空間環(huán)境微重力環(huán)境(1)航天器處于失重的環(huán)境，如何模擬失重：氣浮臺支撐力=重力； 重力不做功。(2)干擾力矩大氣擾動力矩，電源線，重力干擾等(干擾力矩量級10-5，里的量級大于這個值)。空間環(huán)境敏感器需要敏感相應(yīng)的目標(biāo)才能正常工作，因此，條件下，需要建立各種模擬器來模擬敏感器所敏感的對象例如：太陽模擬器、地球模擬器、星模擬器?？臻g環(huán)境舉例1：太陽模擬器模擬太陽光輻射的一種設(shè)備 理想的太陽模擬器在輻射度、光譜分布、光穩(wěn)定性、均勻性等方面應(yīng)與真實太陽相同。空間環(huán)境物理中，需保證：準(zhǔn)直角(太陽發(fā)光面對地球上任意點的張角)32

12、77;0.5；輻照強度0.1-0.2太陽常數(shù) (日地平均距離處地球大氣層外üü的太陽光譜總輻射量)均勻性優(yōu)于5%； 穩(wěn)定性優(yōu)于±2%。；üü空間環(huán)境舉例2：地球模擬器用與地球紅外光譜輻射特性相同的黑體光源來模擬真實地球所形成的空間輻射環(huán)境，并能實現(xiàn)地球弦寬(張角)的變化?？臻g環(huán)境用于擺動掃描式或靜態(tài)地球敏感器的地球模擬器大都做成圓盤形，圓盤直徑與軌道高度成反比。空間環(huán)境用于圓錐掃描地球敏感器的地球模擬器做成平板形，用一個扇形加熱區(qū)模擬地球輻射，扇形的張角要與在軌道上的位置至地球外圓切線形成的張角一致；地球模擬器通過熱壁與冷壁（背景）的溫差來實現(xiàn)地球輻射仿真?？臻g環(huán)境舉例3：星模擬器早期的星模擬器大多做成平行光管形式，只能產(chǎn)生單顆或數(shù)顆恒星光源；空間環(huán)境近年采用液晶屏幕或液晶光閥來實現(xiàn)星圖，通過計算機軟件編