星-箭-包带连接结构解锁分离动力学研究

星箭包带连接结构是国内外卫星与火箭连接的主要结构形式，星-箭-包带连接结构解锁分离动力学性能的优劣直接影响卫星及星上高精度附件的性能，甚至关系到发射任务的成败。本项目旨在解决星-箭-包带连接结构解锁分离动力学及失效分析问题。针对具有变轨要求的带有推进剂的卫星和长征系列末级火箭，考虑卫星贮箱推进剂的液体晃动和爆炸螺栓的爆炸冲击，引入变拓扑结构动力学理论，建立星-箭-包带连接结构解锁分离动力学模型，以解决星箭包带连接结构解锁分离的全过程动力学模拟和包带包络预测问题，揭示包带连接结构特征参数、卫星推进剂的液体晃动和爆炸螺栓的爆炸冲击对卫星分离动力学行为的影响规律；提出星箭包带连接结构的失效分析方法，以及评估典型故障对星箭分离的影响。这项研究将丰富和完善包带连接结构设计理论，提高未来高精度卫星在星箭分离时运行的可靠性和稳定性。

星箭包带连接结构是国内外卫星与火箭连接的主要结构形式，星-箭-包带连接结构解锁分离动力学性能的优劣直接影响卫星及星上高精度附件的性能，甚至关系到发射任务的成败。本项目旨在解决星-箭-包带连接结构解锁分离动力学及失效分析问题。利用弹性力学理论，得到了包带式连接结构的承载能力公式，分析了主要参数对包带连接结构承载能力以及包带预紧力对结构拉伸刚度特性的影响规律；建立了爆炸螺栓的动力学模型，提出了星箭分离过程中包带锁紧装置动态包络的分析方法，编制了星-箭-包带连接结构解锁分离动力学仿真模块，得到了关键参数对星箭分离动态包络的影响。数值模拟了包带连接结构典型故障的动力学特性，给出了故障的危害形式和危害程度。提出了适用于工程初始设计的星箭包带连接结构的简化分离动力学模型，建立了含柔性对接框的星箭解锁分离动力学模型，数值分析了星箭分离冲击的影响，获得了冲击源近场区域径向、纵向和切向的冲击响应谱。采用等效液体摆模型作为表征卫星推进剂贮箱内液体晃动的线性振子，建立了火箭主动段飞行过程中星-箭-液体推进剂等效系统动力学方程，并将其表达为含有立方非线性项和强迫激励项的Mathieu方程的形式。采用Floquet理论绘制了液体小幅晃动等效摆运动的稳定域图，考察了晃动阻尼对等效系统稳定性和稳定域图的影响。采用多尺度方法对贮箱内液体相对大幅晃动的运动方程进行近似求解，根据激励频率所属区间的不同，研究了非共振、主参激共振和次参激共振三种情况下贮箱内液体晃动的力学特性。编制了考虑液体推进剂晃动的星箭解锁分离仿真模块，数值模拟结果揭示了在不同的充液率、晃动阻尼、晃动速度和等效摆振子数量等条件下星箭分离前后卫星姿态的液体晃动的影响规律。对星箭连接结构进行了失效模式及严重度和故障树分析，揭示了系统的失效机理，提出了星箭包带连接结构可靠性设计策略。建立了考虑失效相关性及退化机理的包带连接模糊动态可靠度模型，总结了不同模糊载荷对于系统可靠度及故障独立性的影响。这项研究将丰富和完善包带连接结构动力学理论和设计方法，提高未来高精度卫星在星箭分离时运行的可靠性和稳定性。星箭包带连接结构动力学研究成果已用于航天科技集团星箭连接地面试验测试系统的评估，以及星箭解锁动力学成果已应用于新型预研飞行器的变结构设计以及动力学仿真，为解决某飞行器的预先研究中的设计和动力学问题提供了有力支撑。