基于BP神经网络的星箭分离冲击环境分析及软件开发

星箭分离是卫星发射的关键环节,直接关系到火箭发射的成败。卫星与火箭一般通过包带紧锁装置连接,利用爆炸螺栓实现卫星和火箭的分离,在分离过程中受卫星对接、预紧力应变能等因素影响,进而产生一个影响卫星发射的高频冲击环境。文章以BP神经网络为基础,分析星箭分离冲击环境,探讨星箭分离冲击环境软件开发。

点式星箭分离冲击环境减缓设计与减冲性能试验验证

为改善点式星箭分离冲击环境,优化连接解锁装置设计,研究了点式星箭分离装置的冲击传递机理。以星箭接口不变为前提,提出对应减冲措施:在火工品收集筒顶部增加蜂窝和橡胶垫,以降低火工品结构残体碰撞产生的二次冲击;增加不同材料的垫片,以减弱药剂爆炸冲击作用。初步仿真分析表明,采用镁合金、不锈钢、玻璃钢组合垫片的减冲效果较好。减冲性能验证试验结果表明:增加蜂窝和橡胶垫后,二次冲击现象不再明显;在冲击传递路径上增加3 mm和1 mm厚度的组合垫片,卫星侧冲击响应分别降低了43.3%和39.5%。研究提出的减冲措施以及试验验证结果对点式星箭分离冲击环境改善具有工程指导意义。

不同星箭分离方式下整星冲击环境特征分析

目的研究不同星箭分离方式下卫星的冲击环境特征。方法分析采用点源、线源和组合源火工装置完成星箭分离的卫星整星级冲击试验中不同位置测点加速度的实测值,研究其时域谱、频域谱和冲击响应谱特征,对不同星箭分离方式下整星冲击环境特点进行总结。结果三种分离方式下单位长度冲击响应的衰减率均在60%~70%之间。从频谱特点上来说,点源引起的冲击响应频率成分最为丰富,线源和组合源的功率谱分布相对集中。结论不同星箭分离方式下整星的冲击环境有一定的区别,在进行卫星抗冲击设计时,应考虑分离方式的不同。

基于LS-DYNA的包带式星箭连接装置分离过程和冲击响应分析

采用显式非线性动力学分析方法来研究包带式星箭连接装置的分离过程和冲击响应,给出了有限元建模和预紧力施加方法,采用LS-DYNA软件计算得到某包带式星箭连接装置的包带动态包络和冲击响应;分析了对接框刚度、抗剪凸台、分离弹簧和拉伸弹簧刚度系数等参数对分离冲击的影响,并采用单自由度"弹簧-质量"系统模拟缓释过程,讨论了缓释过程对分离冲击的影响。结果表明:①采用显式非线性动力学分析方法能够同时解决星箭分离过程仿真和冲击响应分析问题;②增加对接框刚度,合理设计抗剪凸台高度,适当减小分离弹簧推力和拉伸弹簧拉力均可降低分离冲击响应;③延长解锁装置释放时间能够同时降低最大冲击响应峰值及其对应频率。

星箭分离面径向冲击预示的简化圆环分析方法

星箭分离冲击是航天器所经历的较为严酷的力学环境之一。为了预示星箭分离面的径向冲击响应,基于星箭对接框承受轴对称径向载荷的假设,提出一种简化的轴对称圆环振动模型,采用有限元法数值验证简化模型的有效性。采用星箭对接框的简化圆环方法,分析包带预紧力、对接框主要结构参数与冲击响应的关系,以及包带和卡块质量对冲击的影响。分析结果表明,分离面径向冲击随着包带预紧力增加而增大;考虑包带和卡块质量的影响,延迟对接框应变能释放时间。在保证星箭可靠连接和分离的前提下,减小包带预紧力、延长对接框应变能释放时间,是降低分离面径向冲击的有效手段。

基于集总平均经验模态分解法(EEMD)的星箭解锁分离机构冲击响应分析

基于集总平均经验模态分解(Ensemble Empirical Mode Decomposition,EEMD),提出一种星箭解锁分离机构冲击响应信号分析新方法。通过EEMD,将星箭解锁分离机构解锁过程的冲击信号分解成不同模态分量(Intrinsic Mode Function,IMF)。结果表明前两阶模态分量IMF主要为冲击引起的高频振动,而IMF3之后为冲击激励引起的不同阶固有模态振动和局部振动,并通过模态实验验证了分析的正确性。

点式分离火工冲击源仿真分析及载荷形成机理

应用航天器"振源系统—近场结构"一体化建模和分析方法,对点式分离火工冲击源的工作过程进行完整建模和数值仿真分析,提取星箭分离面的力函数。得到了高压气体和爆轰产物在腔体内往复运动、形成爆压双峰的运动规律以及关键结构件在爆压作用下往复运动与其它结构件撞击实现分离解锁的运动规律。在此基础上分析爆压载荷在分离螺母内部的传递机制,得到了星箭界面载荷由爆压载荷以及传递路径上的结构运动、撞击和材料内部压力衰减共同决定的载荷形成机理。

微纳卫星星箭分离试验技术及数据分析

针对国内微纳卫星星箭分离试验技术尚不成熟且无统一规范的现状,提出了一种适用于微纳卫星星箭分离技术验证的试验方案及数据处理方法。对现有的星箭分离技术进行了分析对比和选择,在此基础上,设计了一种新型的星箭分离试验系统,详述了试验流程和数据处理方法。以某微纳卫星为研究对象,进行了分离试验,有效获取了分离运动参数和冲击加速度响应数据。结果表明:分离参数和冲击响应满足试验大纲要求,验证了所提出的星箭分离试验技术的可行性。该试验系统基于现有的成熟技术和设备进行设计而成,具有装置简单、成本低、适应性好、精度高等特点,可用于后续工程实际。

基于频域法的星箭连接分离装置的冲击载荷识别

基于频域法动载荷识别原理,识别基于记忆合金驱动的星箭连接分离装置的三次冲击载荷。通过EEMD算法对测点冲击响应信号去噪及识别,可知频域法可以比较准确识别出星箭连接分离装置的三次冲击载荷,识别效果更具优势,实验结果也间接验证了方法的可行性与正确性。

火星探测器器箭分离冲击响应影响分析与评价

针对火星探测器器箭分离冲击过大问题,对单机开展了试验与分析研究。针对完成冲击试验考核的单机可靠性是否受到影响问题,提出采用强度/应力方法进行判断,将厂家给出的单机内部器件的冲击条件视为强度,将单机的冲击响应谱转化后的半正弦波视为应力,将二者相比,从试验和分析两方面表明正样单机的可靠性满足要求,经受过冲击考核的单机可靠性没有下降。此方法可作为判定完成冲击试验考核的单机可靠性是否受影响的依据,也可作为单机冲击试验前抗冲击能力的判断准则。

星箭分离减冲击环结构优化设计

针对星箭分离过程,建立了减冲击环结构模型,并分析了该结构的减冲原理。利用冲击响应谱的时域合成算法计算获得符合冲击谱规范的时域载荷,并以此作为结构优化设计中动力学模型的输入载荷工况。以减冲击环的连续层数、单层支撑块数、连续层厚度、支撑块层高度以及环的外半径和内半径6个结构参数为设计变量,以减冲效果和结构强度、刚度为约束,以质量最轻为目标,建立减冲击环的结构优化设计模型,这是一包含离散变量和连续变量的混合优化问题。为了在跨平台下求解该混合优化问题,采用代理模型策略和自适应模拟退火算法求解,并在最优点处开展结构性能对设计变量的敏度计算,对计算结果进行了分析评估。本研究对强冲击动力学环境下的航天器结构分析与设计有一定的指导意义。

星箭分离缓冲设计方法及试验验证研究

星箭分离冲击环境是指星箭分离时刻火工品起爆作用于卫星结构上产生的高频、高量级的瞬态冲击响应。一般情况下,高频的火工冲击载荷不会造成航天器结构的破坏,但是却能对具有晶振、脆性材料等的精密电子设备造成致命损伤,从而造成航天任务的失败,甚至发生灾难性的事故。因此,卫星系统级缓冲设计对卫星总体设计,改善星上设备冲击环境,从而实现整星减重具有重要意义。针对我国某卫星平台星箭分离时刻星上冲击环境过大的问题,基于冲击波在结构中的传播和衰减特性,提出了缓冲孔、缓冲垫和过渡段三种系统级缓冲方案,星箭分离缩比试验结果表明:本文提出的三种方案有效的提高了冲击载荷过星箭界面的衰减量,从而明显改善了星上的冲击环境,三种缓冲方案可行、有效。

小卫星星箭分离实验技术研究

针对国内小卫星星箭分离技术验证实验存在装置复杂、成本高、精度差和不可重复性等问题,在借鉴现有的大卫星星箭分离技术的基础上,提出一种解决小卫星星箭分离技术验证的实验系统方案和实验数据处理方法,利用该实验方案对某小卫星先后成功进行了电磁解锁和火工解锁分离实验。实验结果表明实验方案合理可行,实验数据处理方法能够有效完成分离运动参数识别提取和冲击响应分析,正式火工解锁实验中分离速度为0.5414 m/s,最大分离角速度为0.74°/s,满足产品实验大纲要求,实验数据为小卫星初始入轨姿态、抗力学设计及冲击实验条件的确定提供了参考依据。该实验系统基于现有的成熟技术和设备,具有装置简单、成本低、适应性好、精度高和可重复性等优点,可用于后续工程实际。

微纳卫星火工冲击载荷缓冲装置设计及验证

火工冲击环境是卫星等航天器经历的最恶劣的力学环境之一,尤其是航天器与运载火箭分离时的冲击最为恶劣。星箭分离冲击会影响有冲击敏感元件的设备甚至航天器的正常工作,严重时甚至能导致发射任务的失败。因此,有必要研究火工冲击环境的抑制措施。针对某金属框架微纳卫星在研制阶段星箭分离实验过程中冲击响应过大的问题,结合火工冲击载荷来源、火工冲击传递机理以及火工冲击抑制方法,对整星进行了冲击载荷缓冲装置设计并进行了冲击及振动实验验证。实验结果表明,该火工冲击缓冲装置能够将冲击载荷降低70%以上,对航天产品的抗冲击分析及合理的结构设计具有重要意义。