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基于卫星平台的可折展空间碎片防护机构设计与研究

基于卫星平台的可折展空间碎片防护机构设计与研究

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作者：崔继云南京航空航天大学

学位级别：硕士

针对日益严重的空间碎片对航天器运行安全的威胁,设计了一种基于卫星平台的空间碎片防护机构。相较于传统的防护设计,可折展防护机构具有防护面积大、可靠性高、可重复使用、防护效率高等特点,是未来空间碎片防护技术发展趋势之一,对提... 详细信息

针对日益严重的空间碎片对航天器运行安全的威胁,设计了一种基于卫星平台的空间碎片防护机构。相较于传统的防护设计,可折展防护机构具有防护面积大、可靠性高、可重复使用、防护效率高等特点,是未来空间碎片防护技术发展趋势之一,对提高空间安全和体系对抗能力具有重要意义。因此,本文对可折展防护机构进行研究论证,包括整机结构设计,运动学、力学特性分析,对防护机构防护性能进行数值模拟计算。根据空间碎片损伤特点结合任务需求,对防护机构提出相应合理指标,设计了适合卫星搭载的可折展防护装置,包括可折展关节铰链设计、多层柔性防护层结构设计和分离锁定装置等;根据凸轮正弦加速度推程运动规律、空间啮合原理和空间回转变换张量等方法对关节铰链圆柱凸轮进行分析、设计,使用Kevlar、芳纶等织物材料设计了柔性填充防护结构,最后为保证机构展开后锁定,设计了一种基于SMA丝的非火工分离解锁装置。为保证机构可重复平稳收展,对防护机构运动和力学特性展开研究。首先分析各关节铰链性能,排除柔性冲击对机构的干扰,其次建立运动学模型,求解电磁锁定装置和各防护层质心雅克比矩阵,得出其运动特性,并与仿真数据对比,验证理论推导的正确性和机构运动的可行性,基于运动学模型,利用MATLAB实现关节铰链驱动力矩的求解,与ADAMS仿真对比,证明了以拉格朗日方程求解驱动力矩的正确性,最后为提高运行效率,对驱动方法进行了改进,并对机构进行展开模态分析,得出其固有频率及振型。多层柔性防护层的防护能力是评估防护机构总体性能至关重要的指标,从而在AUTODYN软件中,选取合适的状态方程、强度模型及失效模型,使用光滑粒子流体动力学(SPH),建立了防护层有限元模型,并验证仿真计算的正确性,随后进行了不同尺寸、不同速度下弹丸超高速撞击仿真,数值模拟结果为工程实际应用提供了理论依据。在对防护层强度分析的基础上,综合弹丸速度变化趋势,得出不同材料防护层对吸能率的影响。为进一步探讨柔性防护层的防护性能,利用AUTODYN-3D建立了6种不同形状空间碎片SPH模型,分析、对比了不同形状碎片对防护层造成的毁伤特点及碎片云特征,深层次论证了防护层的抗冲击性能,为柔性多层防护层的优化设计提供了一定的借鉴。最后对论文进行了展望与总结,为下一步研究指明了方向。

关键词：可折展防护机构力学特性光滑粒子流体动力学超高速撞击空间碎片形状

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