在轨释放、分离载荷动力学仿真研究

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1、航天器环境工程第29卷第1期l8SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERlNG2012年2月在轨释放、分离载荷动力学仿真研究舒燕，李志(北京空间飞行器总体设计部，北京100094)摘要：某些航天器需要在飞行过程中释放、分离载荷，由此涉及的动力学问题，关系到航天器平台与载荷的控制。文章主要对此类航天器的多体动力学问题进行研究，基于机械系统动力学仿真分析(ADAMS)软件平台建立了包括航天器平台、载荷和两类分离机构等在内的仿真模型，通过对三种在轨释放、分离载荷方案的分离过程动力学仿真结果对比分析以及参数化仿

2、真分析，为载荷释放、分离方案设计提供参考。关键词：航天器；载荷；释放／分离；动力学仿真中图分类号：TBll5．7：V415．4文献标识码：A文章编号：1673—1379(2012)01—0018-05DoI：10．3969／j，issn．1673—1379．2012．01．0040引言某些航天器在飞行过程中需要完成对载荷的释放或分离任务，包括星箭分离、卫星的舱段分离和特殊有效载荷的释放、分离等【l】。载荷的释放、分离对航天器抗冲击性、姿态稳定性、快速姿态机动及稳定能力有很高的要求。大型载荷的释放、分离会对航天器平台造成较

3、大冲击，并且分离前后航天器平台的质量、惯量以及质心位置都会发生较大的变化，给航天器平台的姿态控制带来困难。针对此类载荷释放、分离问题，文章利用机械系统动力学仿真分析(AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystem，ADAMS)软件平台建立某载荷在轨释放、分离的动力学仿真模型，对其在轨释放、分离过程进行仿真研究，为载荷释放、分离方案设计提供参考。1在轨释放、分离载荷的特点本文研究的载荷在轨释放、分离问题属于变结构、变质量、大干扰作用的多刚体动力学问题，具有以下几个典型的特点。1)释放、

4、分离的载荷为细长体构型，其体积、质量较大，内嵌于航天器平台，且安装位置偏离航天器几何中心，因此需考虑释放、分离过程中载荷与航天器平台的相互约束关系。2)载荷释放、分离有方向和初速度要求，相比传统的星箭分离、舱段分离，载荷分离初速度较大(v≥2m／s)，因此要求分离机构能够提供较大的分离力。在载荷释放、分离的瞬间，机构动作将对航天器平台产生较大的干扰，而干扰力和力矩与释放、分离机构的特性和安装位置有关。此外，在载荷与平台之间存在运动耦合，需考虑其对释放、分离过程的影响。3)由于载荷安装位置偏心，航天器释放、分离载荷后，其质

5、量特性产生突变(平台质心偏移)，需考虑质量特性变化对释放、分离过程的影响。针对载荷在轨释放、分离问题，国内外已开展了许多相关研究【2。7J。这些研究的主要对象是沿中心轴线方向释放、分离的载荷，如飞船与运载火箭的相关分离【2'4-51；或者载荷虽然不安装于多体几何中心，但是呈对称分布，因此载荷的对称释放、分离不会造成分离后航天器平台的质心偏移f31。而本文的研究对象是偏离于多体几何中心的释放、分离载荷，是一个质量特性发生较大变化的多体动力学问题。文章针对这类问题开展了相关仿真研究。2载荷在轨释放、分离的方案本文研究的问题是

6、利用机构从航天器舱内释放、分离载荷。载荷释放、分离主要过程包括：首先打开航天器舱门，启动锁紧／释放机构，执行载收稿日期：2011-07．05；修回日期：2011-07—1l作者简介：舒燕(1976一)，女，高级工程师，从事航天器总体及机械总体设计工作。E-mail：meg—SU@sina．com。李志(1966一)，男，研究员，主要从事卫星总体设计与仿真工作。蔓!塑堑壅至；查塾登墼!坌塑塾煎垫左堂堕基婴塞!!荷释放、分离操作；其次分离装置工作，推动载荷沿分离方向运动并达到所需分离速度：最终完成与航天器平台的分离。根据载荷

7、释放、分离方向以及分离机构181的不同，有三种典型的释放、分离方案：火工品轴向分离方案，弹簧轴向分离方案。弹簧侧向分离方案。轴向释放、分离的特点是分离行程较长，通常需要增加导向装置，但需开启的舱门角度较小：侧向释放、分离的特点是分离行程较短，但需开启的舱门角度较大。1)火工品轴向分离方案该方案采用具有连接、释放与分离功能的火工品锁作为释放、分离机构，如图1(a)所示，其壳体与航天器平台连接，连接杆与分离载荷连接。当起爆器工作时，引燃主装药，产生的高压气体作用于活塞；活塞推动解锁杆剪断剪切销并沿分离方向运动，使锁块落下，完

8、成载荷释放；活塞继续运动，推动解锁杆、连接杆和载荷运动，实现载荷分离。方案中的导向机构采用导轨、滑轮方案，导轨与航天器平台连接，滑轮配置在载荷上。2)弹簧轴向分离方案该方案的释放机构采用具有连接、释放功能的爆炸螺栓或火工品锁，其分离机构采用弹簧分离推杆，由弹簧和内、外套筒组成，如图lCo)所示。外套筒与航天器平台固连