刚柔耦合动力学在航天器驱动机构力矩设计上的应用

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1、工程技术载人航天2011年第6期刚柔耦合动力学在航天器驱动机构力矩设计上的应用郭其威陈宝东马季军2罗斌3(1上海宇航系统工程研究所上海市空间飞行器机构重点实验室2上海空间电源研究所3上海航天技术研究院)摘要基于刚柔耦合动力学理论，在充分考虑空间各干扰力矩、柔性太阳翼惯性力矩、以及轴承附加阻力矩等作用基础上，建立了相应动力学仿真模型，针对目标飞行器驱动机构开展了各_-v-；,LT的驱动力矩设计工作。仿真计算比较了“部分耦合”与“全耦合”两种算法计算结果间的差异，给出了该驱动机构“驱动力矩”及“止动力矩”设计指标，并据此

2、进行了电机、谐波减速器等的选型工作。关键词干扰力矩刚柔耦合达朗贝尔分类号V414．19文献标识码A文章编号1674—5825(2011)06—0045—06扭矩的成因，以及驱动机构“驱动”“止动”两种受力1前言模式下的驱动力矩设计方法。随着航天技术的高速发展，航天器在轨需完成本文以目标飞行器驱动机构为研究对象详细描的科学任务日渐增多，随之提供能源的太阳电池翼述了机动工况下太阳电池翼对日定向过程中驱动机大挠性影响问题也越明显突出。航天器上多采用驱构力矩设计方法。动机构带动太阳电池翼旋转以实现对日定向。对日2对日定向过程

3、力矩定义定向系统多采用步进电机，关于太阳电池翼振动与步进电机输出力矩之间的耦合，已有相关学者进行航天器完成各种任务时，其运动形式均可用其了深入研究，并给出了相关结论『1]：当电机磁场旋转质心处的过载来描述，从此意义上讲，不同工况完成频率与系统某阶自振频率接近，特别是某低阶频率相应的动作实质上是一类问题。驱动系统对日定向接近时，步进电机输出力矩、负载挠性振动以及干摩过程中，太阳电池翼与驱动机构连接界面处受到各擦力矩等因素的非线性耦合，可能会导致驱动系统种作用力矩定义如下：发生堵转。干扰力矩：包括空间干扰力矩以及弹性振动

4、与现阶段的驱动机构设计中已较为成熟的考虑了飞行过载耦合干扰力矩两部分。其中空间干扰力矩上述因素。本文在假设驱动系统与负载系统频率设包括：太阳光辐射力矩、地磁力矩、重力梯度力矩、气计已经足以错开，不发生“堵转”[31前提下，基于全耦流力矩；合的刚柔耦合动力学，从各工况下负载挠性振动与驱动机构轴承附加阻力矩：飞行过载作用下，太驱动力矩能力设计出发，详细阐述了负载振动产生阳电池翼振动在连接界面处产生载荷，致使驱动轴来稿日期：2011-01—26；修回日期：2011-05—03。作者简介：郭其威(1981．05一)，男，硕士

5、，高级工程师，主要从事多学科动力学仿真研究工作。项目来源：上海市科学技术委员会资助06DZ22105。45载人航天2011年第6期1程技术变形产生与驱动方向相反的附加阻力矩；可以看出运算中F、再与其对应的广义模态坐标驱动机构“驱动”力矩：由电机输出经谐波减速(小幅振动_T况)相乘之后数值量级更小，因此通常器后，平衡其他各力矩反向合力矩作用(阻碍电池翼计算中不计及r、r影响，称为部分耦合；反之如计向转动方向前进)，保持太阳电池翼匀速旋转所需的其影响则称为全耦合。“正向”主动力矩；实践证明，大部分情况下为提高运算速度，采

6、驱动机构“止动”力矩：由电机输出经谐波减速用部分耦合方法可以得到与全耦合完成相同的结器后，平衡其他各力矩正向合力矩作用(辅助电池翼果，但某些情况则不然，如采用部分耦合方法代替全向转动方向前进)，保持太阳电池翼匀速旋转所需的“反向”被动力矩；耦合方法进行运算将带来致命性的错误，具体见文中算例。驱动机构内部阻力矩：驱动机构内部各阻力环『节产生阻力矩之和。令：：{}，则最终形式的单柔性体动力学方程3柔性体动力学中部分耦合与全耦合算法lgJ柔性负载广义质量矩阵形式如下：可写为如下形式：MMM+_1／2【]亭++D警IA=Q(

7、8)=MnMMMMM4驱动力矩设计中的受力分析式中下标t、r、r几分别表示柔性体平动、转动以及模4．1电池翼弹性振动与飞行过载耦合干扰力矩形成态坐标，其中各分量表达式如下：原因l航天器在轨机动状态，太阳电池翼各节点仅受=r，(2)到惯性过载作用，慢速旋转对日定向过程中作用于=-AEFt+F3]B(3)，连接界面处的弯矩、扭矩载荷近似等于电池翼固支于连接界面处载荷，设轴为旋转轴，可将界面处载=Ar(4)788T9、荷表达成如下形式：=lF一[I1，+r，Jg—r；qqj]B(5)5M=r×F(9)：B[F4+Fjq](

8、6)=∑；(10)：r(7)l『0一rr1其中：rZrt／,p；rp∑m；3m；r=互M=＼M：∑，1r20一f．【一rvrt0J；+；r=∑；r=’+n=lJ'T∑m-r2r％：一+ra』(11)；r；；；r≤；；。一ra+raJy上式中F、F6及F9均是在振型向量级别的二次由上式可见，作用于界面处的扭矩是：垂于板面加速度与平行于板面加速度乘