运载火箭低冲分离装置非光滑动力学研究

Separation device are the key components in launch vehicle system, which have a directly influence on important action, such as satellite rocket separation or module separation. Pervious studies most focus on releasing part, little on the follow-up motion after releasing. Under the frame of multi-body system dynamics, this study first extends multi-points impact theory and variable-structure dynamics, using discretization method, to build line impact model with friction, which can describe non-smooth dynamics between screw and separation channel and be verified with experimental results. Second, we extend the first stage dynamical model from rigid multi-body to the flexible, to describe capture process in separation device, using finite segment model, to improve reliability of products. These researches can be used to predict the theoretical framework of development dynamics of low-shock separation device and to provide the fundamental basis for the design and application of structures and so on, which also offers theoretical basis for optimal parameter design and efficient computational strategy.

分离装置为火箭运载系统的关键部件，其性能直接影响到飞行任务中星箭分离、舱段分离等重要动作能否顺利完成。以往分离装置研究集中于释放分离部分，对释放后连接螺杆引导阶段与捕获阶段研究甚少，尤其含摩擦接触非光滑动力学理论与实验研究尤为欠缺，难以全面指导工程设计与产品结构优化。本项目在多体系统动力学理论体系下，首先拓展多点碰撞理论与变结构动力学方法，采用离散化思想，建立含摩擦的线碰撞模型，完善引导阶段中连接螺杆与分离管道之间的多刚体系统含摩擦点线接触碰撞非光滑动力学理论体系，开展相关实验研究验证动力学模型合理性。其次，对分离装置捕获连接螺杆动力学过程进行动力学建模与实验验证工作，结合有限段方法，将引导阶段刚体系统非光滑动力学成果拓展运用于刚柔耦合系统。基于以上动力学理论体系与分析实验结果，开展低冲分离装置结构优化设计，提高分离装置可靠性。

低冲分离装置是运载火箭系统的关键部件，其性能直接影响到飞行任务中星箭分离等重要动作能否顺利完成。以往低冲分离装置研制多采用设计-试验-再设计方法，对低冲分离装置机理性研究较少，尤其含摩擦接触碰撞非光滑动力学理论与实验研究尤其欠缺，难以全面指导工程设计与产品结构优化。本项目旨在针对低冲分离装置引导与捕获阶段含摩擦接触碰撞动力学过程进行研究，在多体系统动力学框架内，建立引导与捕获阶段动力学模型，并设计相关原理性实验对所建模型进行验证。研究结果表明，基于多体系统动力学开展的低冲分离装置动力学分析，不仅可以精确地描述低冲分离装置引导与捕获阶段复杂动力学行为，仿真分析速度较以往有限元等传统方法也有大幅提升。通过此项目相关工作，一方面将多体系统动力学研究应用领域拓展至低冲分离装置这一航天关键机构；另一方面也推动了航天领域对低冲分离装置复杂机构动力学行为的研究发展。