可展开固体反射面机构设计及运动学分析

针对传统固体反射面机构主反射面型面精度和收拢率较低的问题,设计了一种可展开固体反射面机构。首先,提出4种固体反射面机构可展单元构型并对其机构自由度进行分析,对比分析构型方案优缺点确定构型方案4作为可展单元基础构型,并对其结构和展开原理进行详细设计。通过D-H坐标变换建立该机构可展单元的运动学模型,根据几何约束条件建立机构位置矢量方程,利用向量封闭投影法解出各回转角间的关系,结合MATLAB软件编程对机构的位置、速度和加速度进行分析。应用ADAMS软件建立机构仿真模型,验证了机构运动学分析的正确性。最后根据机构中回转角的限制条件和结构尺寸关系,分析回转角和结构尺寸对可展开固体反射面机构收拢率的影响,确定2.2m可展开固体反射面机构的回转角和旋转角分别为78°和30°,中心圆盘半径、铰支座一孔纵向尺寸、切换连杆横向尺寸、纵向尺寸分别为245,8,40,18mm,收拢率为0.326,从而为可展开固体反射面机构的设计提供参考。

抛物面式固体反射面天线结构的展开设计

针对固体反射面可展天线结构的分块数量和包络尺寸等实际需求,对抛物面刚性可展天线结构进行分块优化和连接设计。依据可动性分析,分块优化选用双自由度的单顶点五折痕模式,但是通过约束折痕转动实现反射面运动路径可控。采用平面单位圆模型定性分析分块节点的几何参数对机构收纳比的影响。以收纳比为优化目标函数,以刚性约束、碰撞约束和可动性约束为优化约束条件,建立抛物面刚性可展天线结构的优化框架,并采用1st Opt结合简面体爬山法结合通用全局优化算法计算分块参数。针对面板转动过程碰撞问题,进行了面板连接节点和转动轴设计。仿真分析和3D打印分块模型结果说明该方法的可行性和合理性。

“聚龙一号”装置上磁驱动铝飞片实验的数值模拟

采用二维磁驱动数值模拟程序MDSC2,对大电流脉冲装置"聚龙一号"上的151发次磁驱动370μm厚铝飞片实验、164发次磁驱动330μm厚铝飞片实验进行了数值模拟和分析。数值模拟表明:370μm厚铝飞片和330μm厚铝飞片的磁驱动过程中,VISAR测量的速度不是飞片自由面的速度,而是飞片中邻近自由面最近的固体反射面的速度。这是由于磁驱动飞片发射过程中,飞片自由面部分被烧蚀,密度低于固体密度状态,而飞片自由面和加载面中间的飞片还保持固体密度状态。VISAR测量的激光将穿过自由面的低于固体密度状态的飞片部分,到达飞片自由面最近的固体密度位置再反射回去,获得这一位置的飞片速度。数值模拟的飞片固体反射面速度历史和VISAR测量的速度历史相吻合。

聚龙一号上磁驱动铝飞片发射实验的数值分析与再设计

聚龙一号上PTS-151发次实验中,磁驱动加速370μm厚飞片测得的最大速度为18km/s,磁驱动加速482μm厚飞片测得的最大速度为19km/s。采用MDSC2程序,对PTS-151发次实验进行了数值分析,结果表明:PTS-151发次实验中测量的最大速度的含义不同于以往文献中飞片的最大速度。以往文献中发射飞片在测试过程中自由面未被烧蚀,测试的最大速度为飞片自由面速度;PTS-151发次实验中两个飞片在测量过程中自由面被烧蚀,实验测量的最大速度为飞片被完全烧蚀前的一瞬间飞片内部最后一个固体面的速度。在飞片自由面未被烧蚀之前,370μm厚飞片的计算最大自由面速度仅为7km/s,482μm厚飞片的计算最大自由面速度仅为11.8km/s,远低于测量值。对PTS-151发次实验条件下飞片尺寸进行了再设计,飞片厚度为680μm时最优,既能保证自由面未烧蚀,又使得飞片的速度最大,达到17.5km/s。

自由面被烧蚀磁驱动飞片的数值模拟

为了理解磁驱动飞片自由面烧蚀的机理、自由面被烧蚀后飞片的物质状态、自由面被烧蚀后激光速度干涉仪(VISAR)测量的机理等,采用磁驱动数值模拟程序MDSC2对聚龙一号装置上PTS-151发次磁驱动飞片实验中370μm厚飞片进行了模拟和分析。数值模拟表明,334ns之前飞片自由面部分保持固体状态,334ns之后飞片自由面部分已经熔化,到340ns后整个飞片都被熔化。飞片自由面烧蚀的主要机制是电流焦耳加热,热扩散和压缩做功的贡献很小。数值模拟的固体密度反射面速度历史和VISAR测量的速度历史一致。飞片自由面熔化后,VISAR测量的速度是距离自由面最近的固体密度反射面的速度。