CN112528544A - 小型高轨卫星自串联双星基频指标分解方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种小型高轨卫星自串联双星基频指标分解方法,包括:根据串联悬臂梁理论和瑞利‑里兹理论,建立基频理论分析模型;获得双星初步刚度比例;假设上星为纯刚体,根据双星初步刚度比例,获得下星一阶基频和上星一阶基频;结合星间刚度矩阵,获得双星一阶基频指标分配及串联双星的一阶基频。本发明有效的分解双星组合体基频要求至单星基频要求,保证了单星设计边界明确、整体设计资源分配合理、优化设计方向准确及故障处理界面清晰等技术效果。在卫星研制过程中,本发明通过顶层设计将指标有效分解以实现整星动力学特性的优化和控制。
Description
技术领域
本发明涉及卫星发射技术领域,特别涉及一种小型高轨卫星自串联双星基频指标分解方法。
背景技术
为降低发射成本,充分利用运载能力,以双星串联的形式发射两颗中高轨的中大型平台卫星,是当前国际商用卫星发射普遍采用的一种发射方式。运载对串联双星发射装置的成功代表主要为阿里安的SPELDA(外支撑结构)和SYLDA(内支撑结构),以及我国CZ-3A系列的外支撑结构发射北斗导航双星。此外,考虑内/外支撑结构均消耗了有效运载能力,双星自串联的发射方案登上历史舞台,成为深空探测航天器发射的典型形式,以“波音702SP”为代表的全电推卫星也采用了双星自串联发射方案。
自串联双星可以被作为一个整体面对运载在发射过程中的力学环境和要求,其中最基本和关键的要求为双星横向/纵向的一阶基频要求。而双星自串联状态较单星发射状态在研制过程中存在较多难点,主要体现在如何有效的分解双星组合体基频要求至单星基频要求,以保证单星设计边界明确、整体设计资源分配合理、优化设计方向准确及故障处理界面清晰等。在卫星研制过程中,如何通过顶层设计将指标有效分解以实现整星动力学特性的优化和控制,一直是亟待攻克的技术难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种小型高轨卫星自串联双星基频指标分解方法,以解决现有的无法有效分解双星组合体基频要求至单星基频要求的问题。
为解决上述技术问题,本发明提供一种小型高轨卫星自串联双星基频指标分解方法,包括:
根据串联悬臂梁理论和瑞利-里兹理论,建立基频理论分析模型;
获得双星初步刚度比例;
假设上星为纯刚体,根据双星初步刚度比例,获得下星一阶基频和上星一阶基频;
结合星间刚度矩阵,获得双星一阶基频指标分配及串联双星的一阶基频。
可选的,在所述的小型高轨卫星自串联双星基频指标分解方法中,还包括:
进行第一步,所述第一步包括在运载对基频、质量和尺寸包络的约束下,利用串联悬臂梁理论和瑞利-里兹理论,建立基频理论分析模型。
可选的,在所述的小型高轨卫星自串联双星基频指标分解方法中,还包括:
进行第二步,所述第二步包括调整双星的质量比例和双星的尺寸比例,确定所述双星初步刚度比例。
可选的,在所述的小型高轨卫星自串联双星基频指标分解方法中,还包括:
进行第三步,所述第三步包括考虑上星质量特性且不考虑上星刚度的情况下,计算获得下星一阶基频需求,并根据所述双星初步刚度比例预估上星一阶基频需求。
可选的,在所述的小型高轨卫星自串联双星基频指标分解方法中,还包括:
进行第四步,所述第四步包括建立星间点式连接有限元模型,计算获得星间点式连接有限元模型的等效刚度矩阵,将等效刚度矩阵带入双星有限元模型得到自串联一阶基频计算值。
可选的,在所述的小型高轨卫星自串联双星基频指标分解方法中,还包括:
比较自串联一阶基频计算值与运载要求,如果不满足运载要求,重复第二步至第四步,如果满足运载要求则完成自串联双星基频分解。
可选的,在所述的小型高轨卫星自串联双星基频指标分解方法中,双星间的刚度比例、质量比例和尺寸比例分别以两个阶段确定,包括:
以第二步为第一阶段,双星间的质量比例和尺寸比例均用于提升双星串联一阶基频的目标,以此初定刚度比例参数;
以第四步为第二阶段,在验证该刚度比例合理及满足运载对自串联双星一阶基频要求的情况下,以优化双星质量比例和尺寸比例来优化整星质量和尺寸包络为目标进行微调。
可选的,在所述的小型高轨卫星自串联双星基频指标分解方法中,双星一阶基频指标的确定分两个阶段实施,包括:
以第三步为第一阶段,以基于上星纯刚体假设获得下星初步一阶基频,以初定刚度比例参数获得上星初步一阶基频;
以第四步为第二阶段,在双星按照初步一阶基频设计并建立有限元模型后,引入星间连接刚度矩阵建立双星自串联有限元模型,在满足运载对自串联双星一阶基频要求的情况下,对双星一阶基频微调可获得双星一阶基频指标。
在本发明提供的小型高轨卫星自串联双星基频指标分解方法中,通过根据串联悬臂梁理论和瑞利-里兹理论,建立基频理论分析模型;获得双星初步刚度比例;假设上星为纯刚体,根据双星初步刚度比例,获得下星一阶基频和上星一阶基频;结合星间刚度矩阵,获得双星一阶基频指标分配及串联双星的一阶基频,有效的分解双星组合体基频要求至单星基频要求,保证了单星设计边界明确、整体设计资源分配合理、优化设计方向准确及故障处理界面清晰等技术效果。在卫星研制过程中,本发明通过顶层设计将指标有效分解以实现整星动力学特性的优化和控制。
本发明公开的小型高轨卫星自串联双星基频指标分解方法,适用于小型高轨卫星公用平台自串联设计状态,也适用于深空探测航天器自串联设计状态,具备较强的工程适用性,可有效降低自串联双星设计反复的风险,提升卫星承载比,并降低卫星研制的时间成本。
附图说明
图1是本发明一实施例的小型高轨卫星自串联双星基频指标分解方法示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的小型高轨卫星自串联双星基频指标分解方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书,本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是,附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例,仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
另外,除非另行说明,本发明的不同实施例中的特征可以相互组合。例如,可以用第二实施例中的某特征替换第一实施例中相对应或功能相同或相似的特征,所得到的实施例同样落入本申请的公开范围或记载范围。
本发明的核心思想在于提供一种小型高轨卫星自串联双星基频指标分解方法,以解决现有的无法有效分解双星组合体基频要求至单星基频要求的问题。
为实现上述思想,本发明提供了一种小型高轨卫星自串联双星基频指标分解方法,包括:根据串联悬臂梁理论和瑞利-里兹理论,建立基频理论分析模型;获得双星初步刚度比例;假设上星为纯刚体,根据双星初步刚度比例,获得下星一阶基频和上星一阶基频;结合星间刚度矩阵,获得双星一阶基频指标分配及串联双星的一阶基频。
本实施例提供一种小型高轨卫星自串联双星基频指标分解方法,包括:根据串联悬臂梁理论和瑞利-里兹理论,建立基频理论分析模型;获得双星初步刚度比例;假设上星为纯刚体,根据双星初步刚度比例,获得下星一阶基频和上星一阶基频;结合星间刚度矩阵,获得双星一阶基频指标分配及串联双星的一阶基频。
在本发明的一个实施例中,在所述的小型高轨卫星自串联双星基频指标分解方法中,还包括:进行第一步,所述第一步包括在运载对基频、质量和尺寸包络的约束下,利用串联悬臂梁理论和瑞利-里兹理论,建立基频理论分析模型。
在本发明的一个实施例中,在所述的小型高轨卫星自串联双星基频指标分解方法中,还包括:进行第二步,所述第二步包括调整双星的质量比例和双星的尺寸比例,确定所述双星初步刚度比例。
在本发明的一个实施例中,在所述的小型高轨卫星自串联双星基频指标分解方法中,还包括:进行第三步,所述第三步包括考虑上星质量特性且不考虑上星刚度的情况下,计算获得下星一阶基频需求,并根据所述双星初步刚度比例预估上星一阶基频需求。
在本发明的一个实施例中,在所述的小型高轨卫星自串联双星基频指标分解方法中,还包括:进行第四步,所述第四步包括建立星间点式连接有限元模型,计算获得星间点式连接有限元模型的等效刚度矩阵,将等效刚度矩阵带入双星有限元模型得到自串联一阶基频计算值。
在本发明的一个实施例中,在所述的小型高轨卫星自串联双星基频指标分解方法中,还包括:比较自串联一阶基频计算值与运载要求,如果不满足运载要求,重复第二步至第四步,如果满足运载要求则完成自串联双星基频分解。
在本发明的一个实施例中,在所述的小型高轨卫星自串联双星基频指标分解方法中,双星间的刚度比例、质量比例和尺寸比例分别以两个阶段确定,包括:以第二步为第一阶段,双星间的质量比例和尺寸比例均用于提升双星串联一阶基频的目标,以此初定刚度比例参数;以第四步为第二阶段,在验证该刚度比例合理及满足运载对自串联双星一阶基频要求的情况下,以优化双星质量比例和尺寸比例来优化整星质量和尺寸包络为目标进行微调。
在本发明的一个实施例中,在所述的小型高轨卫星自串联双星基频指标分解方法中,双星一阶基频指标的确定分两个阶段实施,包括:以第三步为第一阶段,以基于上星纯刚体假设获得下星初步一阶基频,以初定刚度比例参数获得上星初步一阶基频;以第四步为第二阶段,在双星按照初步一阶基频设计并建立有限元模型后,引入星间连接刚度矩阵建立双星自串联有限元模型,在满足运载对自串联双星一阶基频要求的情况下,对双星一阶基频微调可获得双星一阶基频指标。
在本发明提供的小型高轨卫星自串联双星基频指标分解方法中,通过根据串联悬臂梁理论和瑞利-里兹理论,建立基频理论分析模型;获得双星初步刚度比例;假设上星为纯刚体,根据双星初步刚度比例,获得下星一阶基频和上星一阶基频;结合星间刚度矩阵,获得双星一阶基频指标分配及串联双星的一阶基频,有效的分解双星组合体基频要求至单星基频要求,保证了单星设计边界明确、整体设计资源分配合理、优化设计方向准确及故障处理界面清晰等技术效果。在卫星研制过程中,本发明通过顶层设计将指标有效分解以实现整星动力学特性的优化和控制。
本发明公开的小型高轨卫星自串联双星基频指标分解方法,适用于小型高轨卫星公用平台自串联设计状态,也适用于深空探测航天器自串联设计状态,具备较强的工程适用性,可有效降低自串联双星设计反复的风险,提升卫星承载比,并降低卫星研制的时间成本。
本发明所提供的小型高轨卫星自串联双星基频指标分解方法,针对采用了小型高轨卫星公用平台的针对小型地球静止轨道卫星,运载对自串联双星质量要求不大于5400Kg,对双星自串联一阶基频要求不小于10Hz,对纵向尺寸包络要求不大于4.8米。
结合双星初步设计,在运载对基频、质量和尺寸包络的约束下,以等效参数预估值作为串联悬臂梁的设计输入,利用串联悬臂梁理论和瑞利-里兹理论建立基频理论分析模型,以此分别计算系统一阶基频,即串联悬臂梁一阶基频分别随串联梁的刚度比例、质量比例和尺寸比例变化的特性。
以双星间的质量比例和尺寸比例均服务于提升双星串联一阶基频的目标,将星间段部分质量分摊给双星,双星间的质量比例和尺寸比例分别初定为1.25和1,考虑15%的误差,以此初定刚度比例参数为1.6。
在自串联双星一阶横向基频不小于10Hz约束下,以基于上星纯刚体假设获得下星初步一阶基频为46Hz,以初定刚度比例参数获得上星初步一阶基频为29Hz。
在双星分别按照46Hz和29Hz作为一阶基频设计并建立有限元模型,通过建立星间点式连接有限元模型并分析获得星间连接刚度矩阵,将该刚度矩阵引入,建立双星自串联有限元模型。在满足运载对自串联双星一阶基频要求的情况下,依托有限元模型以优化双星质量比例和尺寸比例来优化整星质量和尺寸包络。
综上,上述实施例对小型高轨卫星自串联双星基频指标分解方法的不同构型进行了详细说明,当然,本发明包括但不局限于上述实施中所列举的构型,任何在上述实施例提供的构型基础上进行变换的内容,均属于本发明所保护的范围。本领域技术人员可以根据上述实施例的内容举一反三。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言,由于与实施例公开的方法相对应,所以描述的比较简单,相关之处参见方法部分说明即可。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述,并非对本发明范围的任何限定,本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰,均属于权利要求书的保护范围。
Claims (8)
1.一种小型高轨卫星自串联双星基频指标分解方法,其特征在于,包括:
根据串联悬臂梁理论和瑞利-里兹理论,建立基频理论分析模型;
获得双星初步刚度比例;
假设上星为纯刚体,根据双星初步刚度比例,获得下星一阶基频和上星一阶基频;
结合星间刚度矩阵,获得双星一阶基频指标分配及串联双星的一阶基频。
2.如权利要求1所述的小型高轨卫星自串联双星基频指标分解方法,其特征在于,还包括:
进行第一步,所述第一步包括在运载对基频、质量和尺寸包络的约束下,利用串联悬臂梁理论和瑞利-里兹理论,建立基频理论分析模型。
3.如权利要求2所述的小型高轨卫星自串联双星基频指标分解方法,其特征在于,还包括:
进行第二步,所述第二步包括调整双星的质量比例和双星的尺寸比例,确定所述双星初步刚度比例。
4.如权利要求3所述的小型高轨卫星自串联双星基频指标分解方法,其特征在于,还包括:
进行第三步,所述第三步包括考虑上星质量特性且不考虑上星刚度的情况下,计算获得下星一阶基频需求,并根据所述双星初步刚度比例预估上星一阶基频需求。
5.如权利要求4所述的小型高轨卫星自串联双星基频指标分解方法,其特征在于,还包括:
进行第四步,所述第四步包括建立星间点式连接有限元模型,计算获得星间点式连接有限元模型的等效刚度矩阵,将等效刚度矩阵带入双星有限元模型得到自串联一阶基频计算值。
6.如权利要求5所述的小型高轨卫星自串联双星基频指标分解方法,其特征在于,还包括:
比较自串联一阶基频计算值与运载要求,如果不满足运载要求,重复第二步至第四步,如果满足运载要求则完成自串联双星基频分解。
7.如权利要求6所述的小型高轨卫星自串联双星基频指标分解方法,其特征在于,双星间的刚度比例、质量比例和尺寸比例分别以两个阶段确定,包括:
以第二步为第一阶段,双星间的质量比例和尺寸比例均用于提升双星串联一阶基频的目标,以此初定刚度比例参数;
以第四步为第二阶段,在验证该刚度比例合理及满足运载对自串联双星一阶基频要求的情况下,以优化双星质量比例和尺寸比例来优化整星质量和尺寸包络为目标进行微调。
8.如权利要求7所述的小型高轨卫星自串联双星基频指标分解方法,其特征在于,双星一阶基频指标的确定分两个阶段实施,包括:
以第三步为第一阶段,以基于上星纯刚体假设获得下星初步一阶基频,以初定刚度比例参数获得上星初步一阶基频;
以第四步为第二阶段,在双星按照初步一阶基频设计并建立有限元模型后,引入星间连接刚度矩阵建立双星自串联有限元模型,在满足运载对自串联双星一阶基频要求的情况下,对双星一阶基频微调可获得双星一阶基频指标。
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