空间站对接碰撞能量计算的简化分析

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1、V01．19No．38载人航天MannedSpaceⅡight第19卷第3期2013年5月空间站对接碰撞能量计算的简化分析肖余之1，一，时军委2，胡雪平2(1国防科技大学航天科学与工程学院，长沙410073；2上海市空间飞行器机构重点实验室，上海201108)摘要空间站建造和运营过程中对接的新变化是大吨位和大偏心，必须计算各种构型对接碰撞需要缓冲的能量，周边式对接机构碰撞情况复杂，能量计算困难。针对任意两航天器碰撞式对接，建立三维等效模型计算碰撞能量，根据空间站构型将三维模型简化成二维模型，避开求解常

2、微分方程，直观、方便、快速地计算对接碰撞产生的能量，并对空间站“I”、“L”以及“T”字构型时的对接碰撞能量进行分析，用于对接机构的性能设计。关键词空间站；对接机构；碰撞能量；对接动力学中图分类号：v423．8v526文献标识码：A文章编号：1674—5825(2013)03—0008一06l引言随着我国载人航天技术的持续发展，建立空间站已成为下一步的任务目标。国外的空间站建立较早，主要有俄罗斯门；订苏联的“礼炮”号系列空间站、“和平”号(MIR)空间站，美国的“天空实验室”，欧洲航天局的空间实验室(

3、Spacelab)，以及由美、俄、日、欧洲等16国及地区组织共同建设的国际空间站(ISS)，这些空间站的建造和运营过程中都使用了交会对接技术【l】。对接机构可以分为锥杆式和周边式，锥杆式碰撞能量的计算相对简单，由于周边式几何构型复杂，其碰撞能量的计算十分复杂，传统方法都是通过数值积分解决。未来我国空间站从“I”字构型变为“L”字构型再变成“T”字构型的建造过程中，以及载人飞船和货运飞船来访的运营过程中都需要通过一V—Bar对接完成。对接过程是典型的动力学[2】过程，两航天器以一定的相对速度接近，直到主

4、、被动对接机构的对接环相互碰撞、捕获，然后缓冲相对运动的能量。对接机构的缓冲系统必须在确保捕获的前提下在有限位移和转角内缓冲并消耗掉碰撞产生的能量，使得两航天器相对运动停止并对准，为拉近和刚性连接做好准备。对接碰撞的能量除与对接初始条件相关外，还与对接航天器的质量、惯量以及航天器是否存在偏心有关。在天宫一号与神舟八号对接时两个航天器吨位比较接近，而空间站对接时目标航天器的吨位、惯量以及构型都有比较大的变化。比如空间站为“I”字构型时对接，碰撞能量主要集中在对接机构的轴向，其它方向相对较小；空间站为“L

5、”构型时，由于偏心的原因将使得轴向碰撞引起空间站的旋转，轴向能量向偏转方向有能量转化，使得偏转方向上的能量增加很多；空间站为“T”字构型时，由于其惯量增加很多也会导致碰撞能量上升。根据空间站的建造和运营过程中的对接需求，对各种对接碰撞产生的能量进行计算，并根据对接机构的适应能力进行方案的选择。本文就任意两航天器的碰撞式空间对接，建立了三维等效模型来计算碰撞产生的能量，并根据空间站构型将三维模型合理简化成二维模型，并对空收稿日期：2013一01—16；修回日期：2013一04-03作者简介：肖余之(19

6、64一)，男，硕士，研究员，主要从事对接动力学设计与仿真技术研究工作。E—mail：y强iao@oIlline．sh．cn第3期肖余之等：空间站对接碰撞能量计算的简化分析9间站“I”字、“L”字以及“T”字构型时的对接碰撞能量进行了分析。二维模型能够直观、方便、快速的计算空间站对接过程中碰撞产生的能量。2三维模型航天器的对接撞击发生在很小的区域，因此可以把两个航天器看成除相互碰撞点外都是刚性体的撞击过程【3】。如图1，分析两个质量、转动惯量和质心分别为mi和，。和oi(扛1，2)刚体的撞击过程。坐标系

7、咄为地心惯性坐标系，01z】)，】zl和D2戈2y222分别为两航天器的本体坐标系，坐标轴为航天器的惯性主轴。两航天器的平动和转动方程为，l弧yi=(一1)F心扛1，{．(1)l‘面i辐i×(t畜i)=(一1)‘；i×(旁元)式中，t为接触点到Di的矢量；接触力硫在D系；毫为脏D：系的单位方向矢量。两个刚体的运动方程由碰撞点的联系方程关联。联系方程为：相互接触点的速度之和与对接机构在接触点沿公法线方向的投影和相等【2】，即2．∑(矿i+毫×；以一1)‘毫=言(2)i=1式中，6为对接环在接触点相对0，

8、的速度矢量。对(2)式求导，并忽略方向余弦的导数和二阶小量，求图1两航天器相互碰撞示意图得关于对接环接触点在D，系的联系方程为，∑(谚+五×；i)(一1)‘元。=吾(3)将动力学式(1)代人上式得，垂i毫(譬+趔华卜㈩吝：∑(堡+垡挚l心(4)i=l＼m．』二f上式即为等效的动力学方程，这样就把两对接航天器的相对运动和碰撞问题简化为一个具有等效质量、惯量的物体与一个仅有几何形状的固定障碍物的撞击。对应的等效质量为％，}毫b鼍等)㈦，％i=1＼他』￡／通过