柔性自穩(wěn)定空間電磁對接系統(tǒng)設計與實驗研究.pdf

1、空間自主交會對接技術是在軌服務、空間救援、空間組裝等新型航天任務的基礎，是航天科學發(fā)展的重點方向。對接系統(tǒng)是自主交會對接技術的重要組成部分，電磁技術在空間對接系統(tǒng)的應用有效解決了基于推力器的傳統(tǒng)對接系統(tǒng)具的有羽流污染、消耗推進劑和對接沖擊等問題，因此空間電磁對接系統(tǒng)是前沿的研究熱點方向，具有廣闊的發(fā)展空間和應用前景。本文以航天器在軌加注為研究背景，利用電磁線圈本身所具有的特性，研究并設計了具有柔性、自穩(wěn)定性質的空間電磁對接系統(tǒng)。以該電磁

2、對接系統(tǒng)設計方案為研究對象，利用理論模型分析、有限元分析、地面實驗的方法對設計方案的合理性和可行性進行了驗證。
　　本研究主要內容包括：⑴提出了一種新型的電磁對接系統(tǒng)設計方案。利用電磁線圈的原理及特性，提出了電磁對接系統(tǒng)的設計思路，并對該系統(tǒng)進行了初步設計、結構設計、磁路設計以及參數(shù)設計；然后，建立了電磁對接系統(tǒng)設計方案的一維動力學模型，并利用數(shù)值仿真分析系統(tǒng)對接的動力學過程。仿真結果驗證了電磁對接系統(tǒng)具有柔性、自穩(wěn)定的特性，且設

3、計方案合理可行。⑵基于能量守恒原理建立并分析系統(tǒng)的運動學模型。首先研究了電磁對接系統(tǒng)運動過程中能量的變化，分別描述對接系統(tǒng)具有的電磁能、機械能和感生熱能；然后利用能量守恒定律反推動能變化規(guī)律，從而得到電磁對接系統(tǒng)的運動學模型；最后通過數(shù)值仿真，驗證了設計方案的可行性和運動學模型的正確性。⑶完成了柔性自穩(wěn)定電磁對接系統(tǒng)三維模型研究。運用Ansoft Maxwell工程電磁場軟件分析計算了柔性自穩(wěn)定電磁對接系統(tǒng)三維有限元模型；然后用Krig

4、ing函數(shù)模型對非線性程度高的計算結果樣本點進行插值近似，得到了三維三自由度電磁對接系統(tǒng)運動過程中的動力學特性；結果表明電磁對接系統(tǒng)設計方案具有柔性、自穩(wěn)定的性質，滿足空間交會對接系統(tǒng)的任務需求。⑷構建了電磁對接機構地面實驗系統(tǒng)。開展了電磁對接地面實驗系統(tǒng)的設計和研制；進行了電磁對接系統(tǒng)原理實驗研究，結合仿真結論分析實驗現(xiàn)象，進一步證明對接系統(tǒng)設計方案的合理；進行了電磁對接系統(tǒng)機理實驗研究，利用實驗系統(tǒng)模擬不同工況的對接實驗，分析對接系