磁力矩器强度计算分析及尺寸优化设计

磁力矩器是卫星的重要执行机构。为了保障其使用的可靠性,文章运用有限元分析的方法,计算磁力矩器的力学特性,同时采用材料力学和有限元计算的方法,对其进行优化设计,降低最大应力。计算结果表明:不均匀的温度场导致较大热应力。磁力矩器的危险部位主要集中在支架底座与螺栓接触面处,通过尺寸优化设计可以减小此处的应力。     

立方星带芯磁力矩器多目标优化设计与实现

针对立方星体积与功耗存在限制的情况下,如何得到磁矩大而体积小、重量轻、功耗低的带芯磁力矩器这一问题,采用多目标优化的方法进行磁力矩器的设计。首先,按照圆柱型磁芯上缠绕多层漆包线的结构,分别推导了磁矩、功耗与磁芯尺寸、漆包线直径以及绕线匝数之间的数学模型。其次,根据磁矩与功耗的数学模型,在质量与体积均存在约束的情况下,采用遗传算法对磁力矩器进行多目标优化设计。再次,根据带芯磁力矩器的磁感应强度与磁矩之间的关系,设计了磁矩的测试方法。最终,将所设计的参数进行了具体实现。对磁力矩器的测试结果可以看出,所设计的磁力矩器不仅输出磁矩线性度高、剩磁小,而且满足立方星标准的要求。所设计的磁力矩器在多颗立方星上的成功应用表明了该设计方案的有效性。     

新型机电一体化微磁力矩器设计与实现

现代微小卫星的发展需要磁力矩器具备轻量化、低功耗、小型化、集成化等特点。提出了一种新的微型磁力矩器设计方式,采用机电一体化设计思想,使控制电路内嵌于支架的端面上,实现了磁力矩器结构和驱动电路的集成化和整体结构的小型化,明显优于传统的分离设计方式。采用单绕组线圈+脉冲宽度调制(PWM)换向驱动控制的形式,相比常规的双绕组线圈电流幅度控制形式,线圈的重量和体积都减少了一半,功耗更低,控制更加简便。驱动电路具有电流采样功能,可以实现闭环控制,相对于传统的开环控制策略控制精度更高。此外还对磁力矩器的线圈参数和磁芯参数进行了最优设计。所设计的磁力矩器在某微小卫星上已成功应用,表明了该设计方案的有效性和优越性。     

基于响应面法的单元发动机喷注器优化设计

针对某新研单元发动机喷注器热阻优化的问题,采用仿真计算分析研究支架结构参数对支架热阻与结构强度的影响,并基于响应面法(RSM)对喷注器支架进行结构优化设计。计算结果表明:在计算范围内,对支架隔热性能影响最大的是支架高度,其次是支架厚度,最后是支架孔直径。随着支架高度的增加,支架热阻逐渐增大,而支架热阻则随着支架厚度与孔直径的增加而降低。对支架结构等效应力影响最大的是支架孔直径,其次是支架高度,最后是支架厚度,并且随着支架孔直径的增加,支架结构等效应力逐渐增大,而支架最大等效应力随着支架高度和厚度的增加而减小。通过采用响应面法改进后的支架在结构强度满足发动机力学环境的条件下,喷注器热阻得到明显提高。     

基于联合飞轮和磁力矩器的航天器姿态控制算法研究

研究了航天器姿态控制过程中,在姿态捕获阶段单独使用磁力矩器对航天器进行粗定向,在姿态调整阶段联合使用磁力矩器和反作用飞轮对航天器进行控制的问题。建立了反作用飞轮作为执行机构的姿态动力学模型。根据Lyapunov稳定性原理,设计了输入控制器和参数自适应律。将该算法应用于航天器姿态控制过程。仿真结果表明,该算法简单、有效、实用性强。     

磁力矩器用磁性材料力学性能研究

为确定用于磁力矩器的铁镍合金、铁钴合金和铁铝合金3种磁性材料的力学性能,对它们进行了力学拉伸试验,发现材料塑性不同会对试件断裂位置产生一定影响,主要表现为塑性材料在设计薄弱部位断裂,而脆性材料在夹持应力集中位置断裂。根据这一结果,对拉伸试验进行有限元模拟分析,计算结果表明导致断裂位置差异的原因主要是设计薄弱部位的长度以及试件夹持部位出现应力集中。依据有限元计算结果,对试件进行了改进设计并重新模拟计算,结果显示,改进后的3种合金材料试件在拉伸试验中其断裂部位均出现在设计薄弱部位。铁钴合金试件改进后的拉伸试验也充分验证了模拟计算的准确性。由此给出了3种材料合理的力学性能参数。     

卫星磁力矩器磁场效应仿真分析

磁力矩器是卫星上磁性较大的部件之一,局部的强磁场是影响卫星周围带电粒子分布的主要原因。为了定量分析磁力矩器与等离子体相互作用,文章基于磁场与运动粒子的耦合模型,利用有限元数值分析软件仿真了典型轨道航天器上磁力矩器工作时周围带电粒子入射轨迹变化及电荷(粒子数)分布。结果表明,受磁场作用,带电粒子在接近磁力矩器本体时会发生偏转,且偏转幅度随电子能量降低而增大;由磁场引起的这种偏转效应导致带电粒子不均匀入射到卫星内。     

航天器磁力矩器在高低温环境下工作性能变化

文章通过热梯度试验、冷热循环试验和老炼试验模拟航天器磁力矩器所经历的空间温度环境,并采用磁力矩器工作性能监测系统实时测量磁力矩器的工作磁矩和绕线电阻。通过对测试结果的分析发现,不同的温度环境、冷热循环时间和循环次数均会对磁力矩器的工作性能产生影响;且磁力矩器采用的磁心棒材料不同,空间温度环境对磁力矩器工作性能的影响不同。     

固体火箭发动机中的螺栓连接问题

对固体火箭发动机中有关螺栓连接的几个问题进行了讨论，给出了 紧力矩与螺栓所受应力的关系，螺栓拧断力预紧力矩的确定等。     

应用变速控制力矩陀螺的卫星姿态机动的非线性控制

研究了以变速控制力矩陀螺(VSCMG)作为执行机构的卫星多目标快速机动的控制问题。首先建立了带有多个变速控制力矩陀螺的航天器姿态动力学模型,采用修正的罗德里格斯参数(MRP)描述姿态运动。在考虑执行机构饱和、机动速率限制、控制带宽限制等情况下,设计了基于Lyapunov理论的非线性姿态反馈控制器。针对外部干扰会使控制力矩陀螺的框架角偏移其标称值的情况,采取磁补偿控制来保持框架角在一定范围变化。以采用VSCMG为执行机构的某卫星为例进行了数值仿真,仿真结果验证了提出的非线性姿态反馈控制器的有效性,采取的磁补偿控制也很好地抑制了变速控制力矩陀螺框架角的偏移。     

磁力矩器对星外等离子体分布影响分析

文章通过计算某型号磁力矩器工作时产生的磁场,分析了等离子体在磁力矩器磁场中的运动状态,计算了电子在磁力矩器周围的密度分布。结果显示:在磁力矩器工作时,周围电子密度将增大,最大可为正常密度的10倍。密度增大的区域尺寸在轴向上略大于磁力矩器的长度,越靠近磁力矩器的两端电子密度越小,形成一个“凹陷”;径向上主要在半径小于4 m的范围内。在此区域应避免摆放对带电粒子敏感的部组件。     

考虑重力影响的太阳翼模型修正方法研究

太阳翼结构地面模态试验时重力导致的几何非线性不能忽略,因此提出了一种考虑重力影响的柔性结构动力学模型修正方法。首先推导了地面环境下结构的切线刚度矩阵,求解广义特征值,得到重力影响下的模态,对试验和计算得到的模态振型进行匹配,并进行参数的灵敏度分析,选取合适的修正参数并迭代求解参数的修正量。以展开锁定情况下的太阳翼组合结构为研究对象,对比研究发现重力对模态频率有影响,采用分步修正策略,依次对单翼板弹性参数和翼板间连接刚度进行修正,研究结果表明本文方法不仅收敛速度较快,且具有较高的精度。     

多截面细径管结构参数对放气系统压降特性的影响

采用数值模拟方法研究了多截面细径管结构参数对放气系统压降特性的影响,得到了导管几何尺寸、导管内壁粗糙度和出口压力等参数对压降特性影响的变化规律。研究结果表明:缩短容器导管长度或扩大其内径对壅塞状态下的压降影响较小,但可以显著提高层流状态下气体的流动速度,从而减少放气时间;内壁粗糙度对壅塞状态下的压降特性影响较大,随着粗糙度的增大,压力下降速度有所降低,而对层流状态下的压降特性影响较小,在容器压力降至极低的情况下,粗糙度的影响可以忽略不计;出口压力对整个流动过程的放气速度影响较小,出口压力的进一步提高不会明显增加放气速度。该研究可为多截面细径管放气系统的优化设计提供依据。     

磁力矩器在高低温变化环境下工作磁矩实时测试方法

采用赤道作图法等常规磁矩测试方法无法实现磁力矩器在热真空、热循环等空间环境模拟试验过程中的磁矩监测。针对这种情况,文章提出了一种通过磁通反演磁矩的测试方法。该方法通过建立磁力矩器的磁矩与通过测试线圈的磁通之间的对应关系数据库,进而根据测得的测试线圈内的磁通值来间接地得到磁力矩器的磁矩值,从而实现了磁力矩器在高低温变化环境下的磁矩实时测试。     

航天器空间碎片被动防护技术

文章介绍了航天器磁力矩器在低轨道等离子体环境中的一些效应。以某型号卫星为例,计算了某型号磁力矩器产生的磁场,分析了等离子体在磁力矩器产生的磁场中的运动状态。经过建模计算,磁力矩器周围等离子体中的电子将在磁力矩器两端往复运动,而距离磁力矩器较远的电子将聚集在磁力矩器的两端附近。     

磁力矩器在磁洁净卫星平台中的应用技术研究

针对磁力矩器给磁洁净卫星平台带来较大磁场干扰的问题,提出磁力矩器在轨磁场干扰的评估和控制方法。按照磁力矩器产生的工作磁场、感应磁场和剩磁场的大小及特性,通过各类测试与分析研究,提出磁场干扰的控制措施,并总结出在磁洁净卫星平台的最优应用方案。结果表明磁力矩器产生的磁场干扰得到了有效控制,为工程使用解决了磁场干扰关键技术问题。     

压力对膜盒式端面密封平衡直径的影响

膜盒式端面密封在低温液体火箭发动机涡轮泵中有着广泛的应用,作为直接影响密封工作稳定性及涡轮泵工作可靠性的重要参数,端面比压、膜盒平衡直径等如何选取一直是密封设计的重要工作。以某型低温液体火箭发动机涡轮泵的膜盒式端面密封为研究对象,研究压缩量、工作压力对膜盒应力分布、平衡直径、载荷系数和端面比压的影响。应用有限元法建立了膜盒应力分析模型,得到了不同压缩量和充压压力下膜盒的应力分布和端面压紧力,分析膜盒平衡直径随压力增大而显著下降的机理。结合理论分析,开展比压测量装置设计和测量,验证数值仿真得出的规律,并发现现有产品的实际平衡直径比理论计算要小。最后基于仿真和测试结果对现有端面密封方案进行改进,通过台架运转试验验证仿真、测量以及改进方案的准确性,为低温液体火箭发动机涡轮泵用密封端面比压的选取提供了更为合理可行的方法。