皮卫星星箭分离机构运动系统设计

为实现"皮星一号A"卫星无干涉分离,达到分离初始姿态要求,对皮卫星星箭分离机构运动系统进行了分析设计。首先,根据皮卫星与凸轮限位机构间的受力情况和能量守恒定理确定了凸轮轮廓尺寸和分离弹簧结构参数,在此基础上建立了星箭分离过程动力学模型,通过对动力学模型的数值计算确定满足无干涉分离条件的舱门扭簧弹性系数。星箭分离过程的仿真计算和试验校验了"皮星一号A"星箭分离机构可实现无干涉分离,皮卫星初始速度、角速率均满足所提出的各项初始分离姿态要求。

皮卫星及其星箭分离机构的热-结构耦合与间隙设计

对皮卫星与星箭分离机构进行了热结构耦合分析,以便合理地设计皮卫星与导轨面间的配合间隙,确保皮卫星安全可靠分离。在充分考虑皮卫星发射过程中卫星、地球、太阳三者几何关系的基础上,计算了皮卫星及其星箭分离机构在卫星发射过程中所吸收的外热流;通过有限元分析求解了卫星发射过程中的温度场和热变形情况。基于上述工作,设计了皮卫星与导轨间的配合间隙。分析结果显示:受冷黑环境和传导热流影响,卫星与导轨背阴面变形较大,但皮卫星外壳和导轨面总体并未发生大的扭曲形变;在600N和300N预紧力作用下,皮卫星与导轨面间的配合间隙最大变化量分别为62.3μm和63μm。根据分析结果合理选择了配合公差。得到的结果表明:皮卫星及其星箭分离机构在高低温试验后能正常分离,在轨星箭分离姿态与仿真结果吻合,实验结果验证了卫星与导轨间配合间隙设计的合理性,可用于指导皮卫星星箭分离机构的结构设计和热控制设计。

立方星星箭分离机构运动系统的设计与验证

为实现"翱翔之星"立方星在轨可靠分离,达到初始分离速度和姿态的要求,设计了立方星星箭分离机构运动系统并进行了实验验证。提出了一种利用分离弹簧推动立方星打开舱门,并采用弹簧销轴完成舱门锁定的运动系统结构方案。首先,基于能量守恒定理确定了分离弹簧的结构参数;其次,建立了星箭分离过程中立方星与舱门的运动耦合系统动力学模型,并利用MATLAB软件进行了数值仿真;最后,对星箭分离机构样机进行了地面分离试验。实验结果显示,实际分离过程与数值仿真结果基本一致,实现了立方星无干涉分离及舱门的可靠锁定。该星箭分离机构成功实现了"翱翔之星"立方星的在轨分离,卫星下传数据表明其初始分离速度为1.08m/s,三轴角速度均小于2(°)/s,完全满足立方星初始分离速度和姿态的要求,可为后续立方星星箭分离机构的标准化设计提供参考。

立方星星箭分离电磁解锁机构

为实现"翱翔之星"立方星发射力学环境下可靠的锁定以及在轨低冲击快响应的解锁分离,提出了一种断电时弹簧锁定与加电时电磁铁吸合解锁的非火工解锁机构。首先,根据系统要求介绍了电磁解锁机构的工作原理,并建立了机-电-磁耦合动力学模型,分析解锁机构的动力学响应特性;其次,以地面测试试验结果为依据,进行电磁参数的多约束多目标设计与优化,并将优化出的参数在SIMULINK环境下进行仿真验证;再次,对电磁解锁机构样机进行功能测试,实测数值与仿真结果基本一致:额定电压28V下样机的解锁时间为41.2ms,解锁电流为2.2A,能耗为2.5J;最后,开展了力学环境和热真空环境地面试验以及±5V电压拉偏测试,结果表明电磁解锁机构能够可靠锁定与解锁。本文设计的电磁解锁机构经过飞行验证成功应用于"翱翔之星"立方星的在轨解锁与分离,可为后续立方星星箭分离解锁机构的标准化设计提供参考。

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。

皮卫星分离参数优化

为实现"浙大皮星二号"卫星无干涉分离,达到分离初始姿态要求,对皮卫星分离机构进行了设计、理论分析及优化。通过对分离系统动力学特性分析,得出了影响该分离系统的关键因素,同时对星箭分离机构运动系统进行了优化,并进行了试验验证。仿真分析及试验结果表明:该设计能够完全满足分离机构分离速度和角速度要求,星箭分离过程的仿真分析和试验校验了"浙大皮星二号"星箭分离机构可实现无干涉分离,皮卫星初始速度、角速度均满足所提出的各项初始分离姿态要求。

包带式星箭连接结构的动力学模拟及故障分析

为预示包带式星箭连接结构的动力学特性以及产生故障后对星箭分离的影响,提出精细描述包带结构的板单元模型。采用ADAMS软件平台对星箭解锁分离动力学进行数值模拟,考察了爆炸螺栓冲击、限位弹簧刚度、包带预紧力以及摩擦对包带包络的影响。采用包带板单元模型分析了单个爆炸螺栓解锁失效、卡块与包带脱离、分离弹簧失效3种典型故障模式对星箭解锁分离过程的影响。分析结果表明:降低爆炸螺栓冲击、增加限位弹簧刚度是控制包带包络的有效方法。尽管在卡块与包带脱离失效及分离弹簧失效的情况下,卫星与火箭能够分离,但这些失效可能引起卡块与卫星碰撞、分离姿态偏转等严重后果。