柔性自穩(wěn)定空間電磁對接系統(tǒng)設(shè)計與實驗研究.pdf

1、空間自主交會對接技術(shù)是在軌服務(wù)、空間救援、空間組裝等新型航天任務(wù)的基礎(chǔ)，是航天科學(xué)發(fā)展的重點方向。對接系統(tǒng)是自主交會對接技術(shù)的重要組成部分，電磁技術(shù)在空間對接系統(tǒng)的應(yīng)用有效解決了基于推力器的傳統(tǒng)對接系統(tǒng)具的有羽流污染、消耗推進劑和對接沖擊等問題，因此空間電磁對接系統(tǒng)是前沿的研究熱點方向，具有廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。本文以航天器在軌加注為研究背景，利用電磁線圈本身所具有的特性，研究并設(shè)計了具有柔性、自穩(wěn)定性質(zhì)的空間電磁對接系統(tǒng)。以該電磁

2、對接系統(tǒng)設(shè)計方案為研究對象，利用理論模型分析、有限元分析、地面實驗的方法對設(shè)計方案的合理性和可行性進行了驗證。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴提出了一種新型的電磁對接系統(tǒng)設(shè)計方案。利用電磁線圈的原理及特性，提出了電磁對接系統(tǒng)的設(shè)計思路，并對該系統(tǒng)進行了初步設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、磁路設(shè)計以及參數(shù)設(shè)計；然后，建立了電磁對接系統(tǒng)設(shè)計方案的一維動力學(xué)模型，并利用數(shù)值仿真分析系統(tǒng)對接的動力學(xué)過程。仿真結(jié)果驗證了電磁對接系統(tǒng)具有柔性、自穩(wěn)定的特性，且設(shè)

3、計方案合理可行。⑵基于能量守恒原理建立并分析系統(tǒng)的運動學(xué)模型。首先研究了電磁對接系統(tǒng)運動過程中能量的變化，分別描述對接系統(tǒng)具有的電磁能、機械能和感生熱能；然后利用能量守恒定律反推動能變化規(guī)律，從而得到電磁對接系統(tǒng)的運動學(xué)模型；最后通過數(shù)值仿真，驗證了設(shè)計方案的可行性和運動學(xué)模型的正確性。⑶完成了柔性自穩(wěn)定電磁對接系統(tǒng)三維模型研究。運用Ansoft Maxwell工程電磁場軟件分析計算了柔性自穩(wěn)定電磁對接系統(tǒng)三維有限元模型；然后用Krig

4、ing函數(shù)模型對非線性程度高的計算結(jié)果樣本點進行插值近似，得到了三維三自由度電磁對接系統(tǒng)運動過程中的動力學(xué)特性；結(jié)果表明電磁對接系統(tǒng)設(shè)計方案具有柔性、自穩(wěn)定的性質(zhì)，滿足空間交會對接系統(tǒng)的任務(wù)需求。⑷構(gòu)建了電磁對接機構(gòu)地面實驗系統(tǒng)。開展了電磁對接地面實驗系統(tǒng)的設(shè)計和研制；進行了電磁對接系統(tǒng)原理實驗研究，結(jié)合仿真結(jié)論分析實驗現(xiàn)象，進一步證明對接系統(tǒng)設(shè)計方案的合理；進行了電磁對接系統(tǒng)機理實驗研究，利用實驗系統(tǒng)模擬不同工況的對接實驗，分析對接系