空间机械臂关节在轨温度场数值仿真分析

发布时间：2017-06-24 15:00

  本文关键词：空间机械臂关节在轨温度场数值仿真分析，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着航天科技的进步,简单航天器和缺乏补给能力的空间站已经不能满足目前航天活动的需求,航天科学进一步发展受到了很大的局限。因此,安全可靠的空间机械臂应运而生,作为在轨支持、服务的关键性技术已经进入太空,并越来越受到各国科研人员的关注。作为舱外活动的设备,空间机械臂关节所处的环境及其复杂,因此更需要对其进行精确的热设计,为其安全可靠运行提供技术支持。本文,根据确定的舱外关节内部活齿减速器和箱体的模型进行必要的简化,根据已有轨道参数确定机械臂关节所处高低温工况,分析了各因素对关节温度场的影响规律,为研究机械臂在轨的设计与改进提供依据。论文首先应用大型航天专用软件STK对机械臂关节已有的航大轨道进行分析,得出太阳光和轨道夹角的变化规律,确定在轨运行高低温工况的边界条件。然后,对已有的模型进行必要简化,建立了符合热分析的简化模型并利用建立有限元模型。在此基础上,针对没有隔热保护层作用下的关节进行在轨温度场仿真分析,确定隔热保护层的必要性。同时,对不同隔热保护层厚度进行分析对比,确定满足条件的隔热保护层厚度,为机械臂关节安全、稳定运行提供保障。分析了表征隔热组件的当量导热系数、涂层表面发射率和吸收率等一系列因素对关节温度状况的影响规律。在此基础上,完成了空间机械臂关节在轨瞬态运行的研究,确定了在轨运行高低温工况下关节各部分温度变化规律。最后针对全年四个不同的太阳位置进行了瞬态热分析,确定该保护作用下的机械臂关节可以长时间在轨安全、稳定运行。同时,论文也进行了变参数热分析的研究,分别从轨道参数、热涂层对关节温度场进行分析。在轨道参数的研究中,分别选取轨道高度、轨道倾角和轨道偏心率进行分析,确定轨道高度是影响关节温度场变化的最重要的原因,然后对各种轨道参数进行了详细对比,得出不同轨道高度下隔热组件厚度的变化规律。在热涂层方面,分别选取常见的低、中和高吸收-发射比的涂层进行对比,确定了能够满足空间机械臂关节安全运行的涂层参数。最后,对关节不同位置下温度场变化进行分析。考虑到卫星完全遮挡太阳和卫星完全遮挡地球两种特殊情况,建立了简化模型,研究了关节特殊工况下的温度变化情况。论文的研究结果可以机械臂在轨的设计与改进提供依据。
【关键词】：空间机械臂 辐射热流 隔热组件 热控材料 热设计
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V444.3;TP241
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• ABSTRACT7-12
• 1 绪论12-22
• 1.1 研究背景12-13
• 1.2 国内外研究现状13-19
• 1.2.1 航天器热控技术发展13-14
• 1.2.2 机械臂关节的介绍14-15
• 1.2.3 国外研究现状15-17
• 1.2.4 国内研究现状17-19
• 1.3 研究意义及内容19-22
• 1.3.1 研究意义19
• 1.3.2 研究内容19-22
• 2 空间环境及航天器热平衡原理22-34
• 2.1 航天器传热理论基础22-25
• 2.1.1 航天器传热基础22-24
• 2.1.2 航天器热平衡原理24-25
• 2.2 地球轨道空间热环境25-26
• 2.2.1 真空和低温25
• 2.2.2 空间辐射25-26
• 2.3 地球轨道空间外热流26-32
• 2.3.1 太阳直接辐射27-28
• 2.3.2 地球反照和红外辐射28-30
• 2.3.3 卫星反照和红外辐射30-32
• 2.4 本章小结32-34
• 3 关节在轨热分析计算34-56
• 3.1 轨道参数计算35-37
• 3.1.1 坐标系35
• 3.1.2 轨道六根数35-36
• 3.1.3 几种典型轨道简介36-37
• 3.2 航天器被动热控技术37-45
• 3.2.1 热控涂层38-40
• 3.2.2 多层隔热组件计算40-45
• 3.3 轨道外热流的计算45-50
• 3.3.1 轨道分析软件45-49
• 3.3.2 温度场分析软件49-50
• 3.4 工况分析50-54
• 3.4.1 低温工况51
• 3.4.2 高温工况51-54
• 3.5 本章小结54-56
• 4 机械臂关节在轨热分析56-82
• 4.1 关节结构组成及温控指标56-59
• 4.1.1 机械臂关节结构56-58
• 4.1.2 机械臂温控指标58-59
• 4.2 热控材料的确定59-66
• 4.2.1 隔热材料参数影响59-61
• 4.2.2 隔热层厚度的影响61-66
• 4.3 在轨瞬态分析66-79
• 4.3.1 低温工况67-74
• 4.3.2 高温工况74-79
• 4.4 本章小结79-82
• 5 变参数热分析计算82-100
• 5.1 轨道参数对温度的影响82-86
• 5.2 热涂层参数对温度影响86-90
• 5.3 不同位置对温度的影响90-97
• 5.4 本章小结97-100
• 6 全文总结与展望100-102
• 6.1 全文总结100-101
• 6.2 工作展望101-102
• 参考文献102-106
• 作者简历106-108
• 学位论文数据集108

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 侯保林,樵军谋,韩宏潮;一重载高速机械臂的结构与控制同时设计[J];机械设计;2004年01期

2 贾宏亮;姚琼;黄强;;基于质量分配的空间机械臂刚度优化[J];中国空间科学技术;2008年03期

3 ;美大学研发脑波控制机械臂[J];机械研究与应用;2009年01期

4 贺棚梓;;升级版加拿大机械臂[J];太空探索;2014年02期

5 滕鹏,马履中,董学哲;具有冗余自由度的新型护理机械臂研究[J];机械设计与研究;2004年01期

6 ，

本文编号：478502