多刚体系统分离策略及释放动力学研究

发布时间：2024-03-06 18:45

　　紧密连接的多刚体系统可在脱离运载航天器后在轨自主分离,无需多次利用航天器发射装置或在航天器中安装多个发射装置进行分离释放,从而有效提高运载航天器空间利用率,简化分离释放操作和降低碰撞风险.本文针对多刚体系统的在轨分离释放问题,研究在轨分离策略及释放过程动力学.首先,考虑刚体相对运动及姿态变化,基于虚功原理及自然坐标方法建立单个刚体的动力学模型.考虑多刚体系统在轨分离释放阶段的轨道运动和连接约束变化,计入分离时刚体间的相互作用,利用拉格朗日乘子法获得含连接约束的非线性动力学模型.考虑到实际工程应用,在多刚体系统分离释放阶段,通过安装在刚体间每个接触表面4个角上的弹射装置实现自主分离.其次,为保证分离过程中刚体之间无碰撞发生,规划了多刚体系统的分离时序,并基于不同弹射方向及分离顺序设计了两种分离释放方案.最后,通过算例研究分析了在轨分离释放过程中刚体的非线性动力学行为,验证了分离释放方案的有效性.

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【部分图文】：

图1系统运动的参考坐标系

多刚体系统M处于近地赤道圆轨道,建立惯性坐标系和轨道坐标系O1XYZ和O2xyz,它们均为右手正交坐标系,如图1所示.惯性坐标系以地球中心O1为原点,O1X轴在赤道平面内并指向春分点,O1Z轴与地球自转轴重合;轨道坐标系以系统质心O2为原点,O2x轴和O2y轴分别指向天顶和系统飞....

图2多刚体系统构型

将单个刚体及系统均视为长方体构型,多刚体系统由这N个相同的独立刚体紧密连接而成.如图2所示,设多刚体系统共有n层,每层刚体个数为N/n.单个刚体质量为m,质心惯量矩阵为J,尺寸为l×b×h,其中l,b及h分别表示刚体长、宽和高.1.1空间刚体力学模型

图3自然坐标描述刚体运动

自然坐标方法采用刚体上两个固定点的位矢及两个不共面的单位矢量作为广义坐标,以描述刚体的空间运动.两个固定点分别为刚体质心C和刚体上表面一点j,如图3所示.此外,刚体上有一固连坐标系Cξηζ.初始时刻,坐标轴Cξ,Cη和Cζ分别与轨道系的3个主轴平行.刚体广义坐标在轨道坐标系中给出....

图4两个刚体之间的连接约束

将式(10)和式(11)组成的刚体间连接约束投影到各个坐标轴上,即得9个约束方程.通过施加这些连接约束,刚体1和2组装成一个多刚体系统.若该刚体系统需要与新增加的刚体连接,则需再确定一个连接约束点,并建立与相连接刚体的局部坐标系间的关系,即每多一个刚体连接,则多出9个约束方程.一....

本文编号：3920787