主发动机启动对卫星太阳翼的瞬时冲击分析-佳工网




主发动机启动对卫星太阳翼的瞬时冲击分析
中国空间技术研究院王跃宇

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摘要：完成预定的遥感任务或飞出地球引力范围等情况下卫星需要改变自身的轨道高度。卫星变轨时主发动机启动会对卫星太阳翼产生瞬时的冲击作用。本文利用MSC.Patran和MSC.Nastran软件，以某卫星型号在轨状态为研究对象，分析了主发动机启动引起的太阳翼根部铰链处冲击载荷的变化规律，为该星总体方案设计提供了参考依据。关键词：太阳翼有限元法瞬态响应分析 MSC.Nastran 1 引言为达到挣脱地球引力的目的，某卫星型号在轨飞行期间需要经历多次变轨。变轨时，卫星星体及其展开太阳翼同时受到变轨发动机启动瞬时推力及大气动压力的综合作用，因此在太阳翼根部铰链会产生一定的冲击载荷。本文利用MSC.Patran / MSC.Nastran对这种冲击作用进行了分析，给出了该处冲击载荷的变化规律。 2 有限元模型 2.1 单元处理和边界条件该星在轨飞行状态的结构有限元模型如图1所示。卫星主体部分用板壳元和MPC模拟。太阳翼的太阳电池板部分用板壳元模拟，连接架和铰链（包括根部铰链和板间铰链）用空间梁元模拟。有限元模型按自由－自由状态处理。该模型包括5832个节点和6096个单元。（图片） 2.2 结构质量与阻尼在600公里轨道高度，主发动机启动，卫星开始变轨。分析时将整星结构模态阻尼比分别取为2％和5％。根据激励特性和响应时域分析要求，利用MSC.Nastran进行分析时采用TRA（Transient Response Analysis）求解序列。 3 激励特性瞬时推力。变轨发动机在启动瞬间产生的推力如图2所示。（图片）气动压力。该星在低地轨道飞行时，与地球周围环绕的稀薄大气之间存在相对速度。因此，在星体和太阳翼的迎风面会产生气动压力，压力大小与所在轨道当地的大气密度、卫星的飞行速度以及沿前进方向的投影面积等因素有关。本文采用美国标准大气模型（1976），该模型给出了各轨道高度大气密度的平均值。考虑大气密度的最大值比平均值高一个数量级，计算所得的600公里轨道高度的大气动压为6.379 ，如果考虑阻力系数Cd 的影响（Cd取2～2.5），则作用在两个太阳翼和星体迎风面（面积总和不超过30 m2）上的大气压力总和不大于3.6～4.5×10的负3次方N，几乎为零。因此，大气压力的影响可以忽略不计。 4 结论在主发动机瞬时推力作用下，该星太阳翼根部铰链处所受的冲击剪力和冲击弯矩的最大值和时间历程分别见表1和图3～6。这一分析结果为该星总体方案设计提供了更为明确和量化的结论，指出了太阳翼根部铰链这时所受的冲击剪力和冲击弯矩并不是很大，没有必要改变太阳翼根部铰链的原有设计方案。（图片）（图片）（图片）（图片）（图片） 5 参考文献 MSC.Nastran Quick Reference Guide(V68), The MacNeal-Schwendler Corp. MSC.Patran User’s Guide, The MacNeal-Schwendler Corp. 4/21/2005


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