飞行器分离实验中母体空间飞行器的设计研究

张萌

(辽宁装备制造职业技术学院，辽宁 沈阳110161)

随着我国卫星技术的发展，地面模拟空间分离技术的试验设备[1]成为了一个较热门的研究领域。常规的分离实验会在8米高度上将装有子飞行器的母体空间飞行器放下，在其下落的瞬间在将子飞行器在母体中释放以此进行分离测试。母体空间飞行器以自由落体运动下落至缓冲机构[2]中，实验过程持续1秒，母体空间飞行器内部安装有子飞行器和精密测量设备，所以母体空间飞行器模型需要保护子飞行器和精密设备在8 米高的高度上反复进行实验直到满足实验数据要求，可见在空间实验中母体空间飞行器的设计无疑是空间实验中比较困难而且重要的设计环节。地面模拟空间失重试验设备中母体空间飞行器的设计需要解决的难题有： ①确定母体空间飞行器质心坐标系与子飞行器的质心坐标系[3]的位置关系；②通过调整，保证母体空间飞行器总体质心在下落截面的压心这样可以最大限度的消除空气阻力对母体空间飞行器姿态的影响；通过解决这2 个母体空间飞行器的设计难题从而提高实验测量的准确性和控制试验设备的成本。

1 母体空间飞行器的模型设计

首先确定总体构型，在保证母体空间飞行器总体质心与子飞行器的位置关系、机械接口要求等条件下，设计出基本满足要求的母体空间飞行器总体结构，然后将子空间飞行器、必要的支撑件等必不可少的部件固定（质量、位姿），在限定总体质量的条件下，通过调整配重块的质量、位姿、形状尺寸的方式保证质心位置与设计一致[4]，并调整转动惯量使其与要求一致，其构形图如图1。调整主要分为两个阶段，借助一定的支撑条件下，首先将主梁、配重盘、空间飞行器等部件安装好，进行粗配平，在调平的过程中，尽量将吊点通过质心；然后安装蒙皮，蒙皮采用小块设计方法，便于调整和安装，安装蒙皮后，进行精确调平。

图1 母体空间飞行器构型图

在确定母体空间飞行器总体构型过程中，充分利用缓冲台的成功经验，采用相互正交梁、配重和蒙皮骨架相结合的方式，在相互正交的梁上布置和调整配重块，不仅可以保证主要配重件姿态关系简单，能够消除配重块间的相互耦合[5]，便于配重计算，而且操作简单易行。由于母体空间飞行器以10m/s 的速度下落，即使地面上有海绵等物质起到缓冲作用，撞击瞬间相互作用力仍然很大，这主要和海绵的软硬程度、材质和厚度有关系。所以，设计的蒙皮和轮毂要有足够的强度，防止跌落后的损坏，关于海绵体的相关高度和密度要求，在后面有详细的分析，并且有必要进行试验确定破坏的程度。由于发射桶和空间飞行器的质量和位置的限制，在考虑到调整范围的情况下，大部分结构件采用铝质材料，以达到设计要求。

2 飞行器坐标系统的设计

坐标系有母体空间飞行器坐标系和子飞行器坐标系，如图2和图3 所示，坐标系oxyz 为母体空间飞行器坐标系，其中x 轴为主梁轴线，向前为正方向，起吊轴轴线为z 轴，向下为正方向，两轴线的交点为坐标系原点o，y 轴过原点与横向配重梁轴线平行。o'x'y'z'为子飞行器坐标系，坐标系原点o'为子飞行器底部圆面圆心，x'轴为子飞行器轴向中心线，正方向向前，y'轴过原点o'且与惯导系统安装平面平行并过水平位置导轨中线，正方向如图所示，z'轴过原点o'与水平面垂直，竖直向下为正。坐标系oxyz 与坐标系o'x'y'z'各坐标轴互相平行且正方向相同，坐标系之间无旋转。

图2 母体空间飞行器坐标设定

图3 子飞行器坐标设定

3 母体空间飞行器压心计算及风阻消除

母体空间飞行器在自由下落过程中，要求消除空气阻力对母体空间飞行器姿态的干扰。由于空气阻力的作用点位于母体空间飞行器外壳的压心，因此消除空气阻力对母体空间飞行器姿态的干扰，只需将母体空间飞行器质心的投影配置在空气压心处即可，这样，空气对自由下落的母体空间飞行器就只有过质心的阻力矢，而没有阻力矩，从而不会影响母体空间飞行器的姿态。计算母体空间飞行器压心首先需要知道母体空间飞行器在下落时所受的空气阻力的状况，利用流体专用软件Fluent对母体空间飞行器所受空气阻力进行仿真计算[6]。计算模型如图4 所示，母体空间飞行器与实际设计相同，其总长度为2m，最大外径为2m，母体空间飞行器周围建立30×30×30m 的空气区域。母体空间飞行器在空气域中心，参考坐标系如图所示在母体空间飞行器尾部中心处。

图4 空气阻力计算模型

对空气域划分为上图所示的四面体网格，边界条件为：空气域六个表面为固壁不动，母体空间飞行器筒体和两侧面设为动壁在空气中以竖直向下1-10m/s 的速度运动。空气的密度为1.23kg/m3，压强为101325Pa，粘性系数为1.79×10-5，空气初始禁止不动。完成上述设定后开始计算，等迭代收敛时提取计算结果，压心的提取通过手工提取合力矩为零的点。可得如图5 所示原始模型的压心结果，计算结果为母体空间飞行器压心在X轴上且距尾部445-458mm 处。

图5 母体空间飞行器原始模型

由计算结果可以看出压心位置离尾部太近，要使母体空间飞行器质心与空气阻力压心重合并满足质量惯量要求，经过实际计算需要通过修改母体空间飞行器的外形尺寸才能达到仿真结果的要求，所以只有通过改变母体空间飞行器外形尺寸来改变压心位置从而满足母体空间飞行器质心位置以及质量惯量的匹配要求，通过如图6 所示的过程，反复修改外壳形状和匹配质量惯量得出如图7 所示的外壳模型尺寸。

图6 海绵刚度与母体空间飞行器下陷深度关系曲线

图7 优化后的母体空间飞行器原始模型

4 结论

本文提出了一种空间飞行器分离模拟实验设备中母体空间飞行器的设计方法，该方法有效的确定母体空间飞行器质心坐标系与子飞行器的质心坐标系的位置关系以及最大限度的消除了空气阻力对母体空间飞行器姿态的影响，保证了母体空间飞行器在初始实验状态的姿态，而且实现了对子飞行器质心位置的精确测量。