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空間飛行器失重試驗安全保護分析與設計

文檔作者：王立軍文檔來源：遼寧裝備制造職業(yè)技術學院		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年05月09日
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76
機械設計與制造
Machinery Design &amp;amp; Manufacture
第5期
2012年5月
文章編號：1001—3997(2012)05—0076-．-03
空間飛行器失重試驗安全保護分析與設計
王立軍
(遼寧裝備制造職業(yè)技術學院，沈陽1 10161)
Analysis and design of safe bufer on weightlessness environment test of spacecrafts
WANG Li-jun
(Liaoning Equipment Manufacture College of Vocational Technology，Shenyang 1 10161，China)
【摘要】針對空間飛行模擬器采用自由落體原理模擬空間失重運動環(huán)境的安全性和可靠性要．
求，提出了慢回彈海綿墊緩沖保護方法，建立了該種方法的數(shù)學模型，計算了慢回彈海綿剛度與模擬件
下陷深度的關系以及慢回彈海綿剛度與模擬件受最大作用力的基本關系。設計了二層不同剛度回彈海．
綿組成的安全緩沖保護方案，并使用Abaquse建模、分析，仿真了試驗過程。仿真計算結果表明該方案·
可行，在緩沖過程中的模擬件受到的局部最大應力小于模擬件的屈服強度。在實際試驗中使用該方案’
得到了安全性驗證。 ·
關鍵詞：空間飛行器；失重運動模擬；緩沖保護；Abaquse仿真
【Abstract】／n the paper，the author adopted principle of．free z to simulate weightlessness enviFon一．
merit ofspacecrafts，proposed slow rebound cushions bufering method and established mathematical models’
of the method．The author not only determined the relationship between the stiffness of the slow rebound．
sponge and the subsidence ofthe spaceflight simulator but also acquired the relationship between the stiffness
ofthe slow rebound sponge and the maximumforce ofthe spaceflight simulator．The author designed a
security b~ffer protection method composed by two different stiffness slow rebound sponges，and used
ABAQUSE to implement the simulation experiment．Simulation results show that the loca1．u~imal stress of
the space flight simulator is less than that of the yield strength．Hence，the proposed method is capable of
protectingthe security ofthe spaceflight simulator．
Key words：Space vehicles；Weightlessness motion simulation；Bufer protection；ABAQUSE simulation
中圖分類號：TH16，V455 文獻標識碼：A
1引言
隨著中國空間技術的不斷突破，地面模擬空間失重試驗設
備成為了一個較熱門的研究領域。在地面模擬空間的失重狀態(tài)和
低摩擦，無疑是比較困難的，常用的實現(xiàn)失重方法有氣浮平臺、自
由落體落塔裝置、飛機拋物線運動等方式，其中氣浮平臺效果最
好 。對于空間飛行器地面試驗來說理想設備是使用氣浮平臺和
落塔裝置來完成，但是對于氣浮平臺或落塔試驗裝置通常用于較
復雜的空間失重試驗中，國內現(xiàn)有的該種試驗裝置及其有限，而
且其使用成本過于高，所以對于一些基礎性的一般試驗多采用針
對特定試驗要求自行設計的試驗設備，涉及的試驗設備就是針對
一種特定的空間飛行器為了測量其空間姿態(tài)所專門設計 。該試
驗設備采用自由落體原理來仿真失重環(huán)境。這樣即能達到一般性
試驗的要求又能很好的控制成本。
在該試驗設備中為了達到1．2s的失重環(huán)境要求試驗件自由
落體高度要在7．06m，試驗件重量至少為It左右，結構比較復雜，
裝有慣導測量等精密設備，要求能夠反復進行有效試驗，那么試
驗件的落地防幢保護就成為了失重模擬試驗成功與否的一個重
★來稿日期：20114-07一-23
要環(huán)節(jié)i64]。提出在自由落體原理失重試驗裝置中，防幢保護方法
采用慢回彈海綿墊對試驗件進行緩沖，防止試驗件出現(xiàn)結果性破
壞和變形。這種防幢保護方法即簡潔有效，滿足反復試驗要求又
能很好的控制試驗設備成本。
2空間飛行器失重試驗設備介紹
該試驗設備要求達到微重力和低摩擦仿真環(huán)境，該環(huán)境的持
續(xù)時間不少于1．2s，該試驗設備需要反復試驗多次，需要保證空
間飛行器模擬件和測量裝置的完好【9】?？臻g飛行器模擬件重量為
1000KG包涵測量裝置，其結構為蒙皮骨架組裝構。如圖1所示。
圖1空間飛行器模擬件示意圖
第5期 王立軍：空間飛行器失重試驗安全保護分析與設計 77
3防幢保護要求
防幢保護裝置是對試件分離以后加以保護和制動，防止試
件各分離部分發(fā)生相互碰撞或其他意外事故引起的結構破壞。設
計采用海綿墊作為模擬件的落地緩沖裝置，避免造成空間飛行模
擬件的變形與破壞以及避免測量裝置的破壞與失效?31。
4建立撞擊物理模型
空間飛行器模擬件以自由落體運動下落后撞擊到海綿體。海綿
體變形的理論分析將上述過程簡化成模型，如圖2所示。
圖2模擬件撞擊海綿分析
取模擬件和彈簧(海綿)組成的系統(tǒng)為研究對象，在0 方向
列寫動力學方程：
m g =他 (1)
考慮約束條件有：
( =0)=O
i(t=o)-o
x(t=to)
(t=to)=0
其中由能量關系得到(3)和(4)式。
m gH= 1
m
,g(xo+H 1_f
利用(2)的約束條件，求得(1)的通fNY~ (5)。
一
k ＼
、
V mo
Yo sin 半
350
300
250
200
Z
~．150
瓣
嫩l00
50
O
海綿剛度一下陷深度
．
、 }
h - _ - ’
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
下陷深度(mm)
圖3海綿剮度與模擬件下陷深度關系曲線
依據(jù)上面的分析，通過MATLAB分析計算出海綿下陷深度
與剛度的關系曲線，如圖3所示。海綿剛度與海綿對模擬件最大
作用力關系，如表1所示。
表1海綿剛度與模擬件受作用力關系
通過上述的分析結果，表明模擬件落地時的動能和動量都
很大，應盡量增加緩沖時間以減小相互作用力，這就要求海綿體
的剛性系數(shù)要盡量小，減小沖擊力的同時，有效的將動能轉化為
其他形式的能量，以防止模擬件出現(xiàn)失效。
5保護方案設計
根據(jù)上述分析結果，采用兩層緩沖的設計方式，如圖4所
示。第一層和第二層的高度分別為1250mm和750nn，分別為慢
回彈海綿和正?；貜椇＞d。這樣能有效的化解沖擊力。
圖4緩沖海綿墊設計圖
6仿真分析
6．1模型簡化
下落過程中最容易發(fā)生變形和破壞的部件是輪轂和蒙皮，
分析主要考慮輪轂和蒙皮在下落和緩沖過程中的應力應變。椎體
部分在緩沖過程中受力較小，因此只對圓柱體部分進行建模分
析。輪轂尺寸，蒙皮厚度與實際相同，將模擬件質量集中在中心主
梁上簡化對配重塊和配重臂的建模和分析，有限元模型和實際模
樣件質量相同 。保護墊部件建模和實際相同，其設計結果主要
通過有限元分析不同硬度海綿和阻尼系數(shù)得出。緩沖部件由
750mm厚的硬度較高的海綿和硬度較低的1250mm的慢回彈海
綿構成。有限元模型，如圖5所示。
圖5緩沖分析有限元模型
輪轂、中心主梁、蒙皮材料用Q235鋼，單元選用一次縮減積
分單元。海綿用abaqus軟件提供的泡沫材料模型進行模擬，材料
性能參數(shù)由實際試驗測量輸入進行最sl~z．乘擬合，單元選用八節(jié)
點六面體縮減積分單元。支撐桿用為三維梁單元進行模擬。網(wǎng)格
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