CN114692307B - 一种多卫星无碰撞释放的堆叠方式及释放方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多卫星无碰撞释放的堆叠方式及释放方法，包括若干层堆叠的单颗卫星，每一层包括四个释放单元，四个释放单元依次旋转90°并相互贴合，每一个释放单元包括正位卫星和反位卫星两个单颗卫星，单颗卫星为长方体形。本发明采用上述结构的一种多卫星无碰撞释放的堆叠方式及释放方法，能够减少或甚至消除分配器质量，而不损及发射期间所需的结构刚度和强度，使多颗卫星在特定初角速度的条件下一次性完全分散。

Description

一种多卫星无碰撞释放的堆叠方式及释放方法
技术领域
本发明涉及空间技术领域，尤其是涉及一种多卫星无碰撞释放的堆叠方式及释放方法。
背景技术
卫星支持系统通常通过指定的接口平面和螺栓式样将卫星连接到运载火箭。单个卫星可以直接附接到这样的接口。为发射多颗卫星，支持系统通常使用具有从接口平面悬下的主气缸分配器。然后，将单个卫星围绕主气缸的周边径向附接。这样的支持系统的一个缺点在于分配器占据了大量的体积和质量以便满足结构的强度和刚度要求。因此，将希望提供一种新颖的卫星形态以及堆叠方式改善以上问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种多卫星无碰撞释放的堆叠方式及释放方法，能够减少或甚至消除分配器质量，而不损及发射期间所需的结构刚度和强度，使多颗卫星在特定初角速度的条件下一次性完全分散。
为实现上述目的，本发明提供了一种多卫星无碰撞释放的堆叠方式，包括若干层堆叠的单颗卫星，每一层包括四个释放单元，四个所述释放单元依次旋转90°并相互贴合，每一个所述释放单元包括正位卫星和反位卫星两个所述单颗卫星，所述单颗卫星为长方体形，所述单颗卫星的一个侧面中部设置有截面为半圆形的第一扣合槽，所述第一扣合槽的中部内设置有第一环形卡扣，所述单颗卫星的另一个侧面底部设置有截面为扇形的第二扣合槽，所述第二扣合槽内设置有第二环形卡扣，所述第二环形卡扣位于所述第二扣合槽的一端，所述正位卫星的所述第一扣合槽朝向外侧，所述反位卫星的所述第一扣合槽朝向内侧，所述正位卫星和所述反位卫星的所述第二扣合槽相互贴合，所述第二环形卡扣插入相邻所述反位卫星的所述第一扣合槽内，位于同一所述释放单元内的两个所述单颗卫星的两个所述第二环形卡扣将相邻所述反向卫星的第一环形卡扣夹在中间。
优选的，若干层单颗卫星之间通过贯穿所述第二环形卡扣的绳索柔性连接。
优选的，所述第一环形卡扣和所述第二环形卡扣的内径为30mm，所述第一环形卡扣和第二环形卡扣的外径为50mm。
优选的，所述第一环形卡扣和所述第二环形卡扣的厚度为所述单颗卫星厚度的三分之一。
一种多卫星无碰撞释放方法，步骤如下：
S1、动力学建模：基于自然坐标方法建立所述单颗卫星的刚体动力学模型，并将其连接而成为堆叠卫星系统的多刚体系统动力学模型，通过合适的约束条件使刚体间固结，同时计入轨道运动、分离时刚体间相互作用，运用拉格朗日乘子法获得多刚体系统分离-释放动力学方程；
S2、碰撞检测算法：为了精确快速计算两个所述单颗卫星之间的最小距离，以判断其是否发生碰撞，采用超椭圆近似法将所述单颗卫星的外表面通过连续可微函数进行近似，之后再将最小距离计算问题转化为寻找两个所述单颗卫星上的两个点使得其距离最小的凸优化问题；
S3、分离动力学仿真：对每一个所述单颗卫星进行编号，对堆叠卫星系统进行动力学仿真，寻找合适的释放初始角速度；
S4、释放：切断所述单颗卫星之间的绳索，根据计算出的初始角速度释放卫星，使堆叠卫星系统的释放过程中不同的所述单颗卫星之间均不发生碰撞，卫星依靠自身的初始旋转完成分离。
因此，本发明采用上述结构一种多卫星无碰撞释放的堆叠方式及释放方法，在保证卫星体积以及卫星各基本功能正常的正常形态下，设计每个堆叠卫星使用环状卡扣和扣合槽相连接，堆叠后采用柔性连接以便在获得初始角速度后切断柔性连接使每颗卫星在初角速度的条件下一次性完全分散。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明一种堆叠卫星的堆叠与无碰撞的释放方式实施例的堆叠结构示意图；
图2为本发明实施例的单颗卫星结构示意图；
图3为本发明实施例堆叠卫星系统轨道系定义图；
图4为本发明实施例堆叠卫星系统的编号示意图；
图5为本发明实施例编号12的卫星与周围卫星的最小距离随时间的变化规律图；
图6为本发明实施例堆叠卫星系统释放过程中0s时的动态构型图；
图7为本发明实施例堆叠卫星系统释放过程中1s时的动态构型图；
图8为本发明实施例堆叠卫星系统释放过程中5s时的动态构型图；
图9为本发明实施例堆叠卫星系统释放过程中10s时的动态构型图。
附图标记
1、单颗卫星；11、第一扣合槽；12、第一环形卡扣；13、第二环形卡扣； 14、第二扣合槽；2、释放单元；1a、正位卫星；1b、反位卫星。
具体实施方式
以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例
如图所示，一种多卫星无碰撞释放的堆叠方式及释放方法，包括若干层堆叠的单颗卫星，每一层包括四个释放单元，四个释放单元依次旋转90°并相互贴合。
单颗卫星为长方体形，单颗卫星的一个侧面中部设置有截面为半圆形的第一扣合槽，第一扣合槽的中部内设置有第一环形卡扣。单颗卫星的另一个侧面底部设置有截面为扇形的第二扣合槽，第二扣合槽内设置有第二环形卡扣，第二环形卡扣位于第二扣合槽的一端。单颗卫星的模块化结构使得加工更加容易，也具有更高的可替换性，在不同位置均可安装。
每一个释放单元包括正位卫星和反位卫星两个单颗卫星。正位卫星的第一扣合槽朝向外侧，反位卫星的第一扣合槽朝向内侧，正位卫星和反位卫星的第二扣合槽相互贴合，第二环形卡扣插入相邻反位卫星的第一扣合槽内。位于同一释放单元内的两个单颗卫星的两个第二环形卡扣将相邻反向卫星的第一环形卡扣夹在中间，第一环形卡扣和第二环形卡扣的厚度为单颗卫星厚度的三分之一，因此相邻三个单颗卫星的环形卡扣结构紧密贴合，并通过一条绳索连接起来。同一层的释放单元内的单颗卫星完全贴合，省去了分配器的重量。
第一环形卡扣和第二环形卡扣的内径为30mm，第一环形卡扣和第二环形卡扣的外径为50mm。若干层单颗卫星之间通过贯穿第二环形卡扣的绳索柔性连接。
针对上述堆叠卫星系统的释放动力学问题，本实施例提出了该堆叠卫星系统的释放方法。基于自然坐标建模方法，采用MATLAB软件自编程进行动力学仿真，研究堆叠卫星在轨接解除约束后分离释放动力学，并判断分离释放过程是否发生碰撞。以理论分析为基础，数值计算与计算机仿真相结合的方法对解除约束后的堆叠卫星路径及姿态等进行调整优化。
其具体计算过程如下：
一、动力学建模
基于自然坐标方法建立单颗卫星的刚体动力学模型，并将其连接而成为堆叠卫星系统的多刚体系统动力学模型，通过合适的约束条件使刚体间固结。同时计入轨道运动、分离时刚体间相互作用，运用拉格朗日乘子法获得多刚体系统分离-释放动力学方程。
如图3所示，以堆叠卫星总体重心为原点，垂直于每一层方向为x轴方向建立坐标系，O-XYZ表示惯性坐标系，Oo-XoYoZo表示轨道坐标系，Ob-XbYbZb表示堆叠卫星系统连体坐标系。在轨道坐标系建立的堆叠卫星系统动力学方程可表示为如下的微分—代数方程组：
Figure BDA0003582670360000051
其中，上式各项表达式的含义分别为：
Figure BDA0003582670360000052
为系统惯性力列阵，
Figure BDA0003582670360000053
为系统所受科式力列阵，
Figure BDA0003582670360000054
为系统所受离心力列阵，
Figure BDA0003582670360000055
为系统内约束力列阵，G为系统所受万有引力列阵；各符号分别表示为：q为系统广义坐标列阵，M为系统质量阵，A为坐标转换矩阵，R为轨道系位置列阵，Φ为约束力列阵，λ为拉格朗日乘子列阵，t为时间。
二、碰撞检测算法
为了精确快速计算两颗堆叠卫星之间的最下距离，以判断其是否发生碰撞，本实施例采用超椭圆近似法将单颗堆叠卫星的外表面通过连续可微函数进行近似，之后再将最小距离计算问题转化为寻找两颗卫星上的两个点，使得其距离最小的凸优化问题。
计算两颗卫星最小距离的凸优化问题的数学表达式为：
Figure BDA0003582670360000061
s.t.ci(xi)≤0
cj(xj)≤0
其中，设计变量xi、xj表示卫星i和卫星j上的任意两点，目标函数 f(xi,xj)为该两点之间的距离平方，约束函数表示所取的两点xi、xj必须分别在卫星i和卫星j的表面或内部，单颗卫星的近似函数ci(xi)的表达式如下
Figure BDA0003582670360000062
其中，L1、L2、L3分别表示单颗卫星的长、宽、高，p为一个正偶数，通常取为6。
三、分离动力学仿真
为进行堆叠卫星系统动力学仿真，首先对堆叠卫星进行编号，如图4所示。通过仿真计算研究，找到一组合适的初始角速度，使得在堆叠卫星释放过程中不同卫星之间均不发生碰撞。以中间编号为12的卫星为例，图5给出了在初始角速度为ωr＝[-1-3.5-2]的情况下，编号为12的卫星与其周边卫星的最小距离随时间变化规律，可以发现，随着时间的增加，不同卫星之间的最小距离均增大，说明这些卫星之间没有发生接触碰撞。图6-图9分别给出了堆叠卫星系统释放过程中0s、1s、5s、10s时的动态构型图，可以直观的看出在该初始角速度下，堆叠卫星系统稳定无碰撞的释放过程。
四、释放
切断卫星之间的柔性连接绳，该堆叠卫星在初角速度矢量为[-1，-3.5，-2] 时可进行一次性完全释放，紧靠自身的初始旋转就能完成分离，使堆叠卫星释放过程简化并且降低碰撞的损毁率。依照现在的卫星火箭发射动力，可以堆叠至10层，即单次即可完成80颗卫星的发射。
因此，本发明采用上述结构一种多卫星无碰撞释放的堆叠方式及释放方法，在保证卫星体积以及卫星各基本功能正常的正常形态下，设计每个堆叠卫星使用环状卡扣和扣合槽相连接，采用这种方块式卫星结构和卡接贴合的堆叠方式，能够尽可能减少体积以及占据最小空间、提高空间利用率，堆叠后采用柔性连接，卫星在获得初始角速度后切断柔性连接，使每颗卫星在特定初角速度的条件下可以实现一次性完全分散。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种多卫星无碰撞释放的堆叠方式，其特征在于：包括若干层堆叠的单颗卫星，每一层包括四个释放单元，四个所述释放单元依次旋转90°并相互贴合，每一个所述释放单元包括正位卫星和反位卫星两个单颗卫星，所述单颗卫星为长方体形，所述单颗卫星的一个侧面中部设置有截面为半圆形的第一扣合槽，所述第一扣合槽的中部内设置有第一环形卡扣，所述单颗卫星的另一个侧面底部设置有截面为扇形的第二扣合槽，所述第二扣合槽内设置有第二环形卡扣，所述第二环形卡扣位于所述第二扣合槽的一端，所述正位卫星的所述第一扣合槽朝向外侧，所述反位卫星的所述第一扣合槽朝向内侧，所述正位卫星和所述反位卫星的所述第二扣合槽相互贴合，所述第二环形卡扣插入相邻所述反位卫星的所述第一扣合槽内，位于同一所述释放单元内的两个所述单颗卫星的两个所述第二环形卡扣将相邻所述反位卫星的第一环形卡扣夹在中间。
2.根据权利要求1所述的一种多卫星无碰撞释放的堆叠方式，其特征在于：若干层所述单颗卫星之间通过贯穿所述第二环形卡扣的绳索柔性连接。
3.根据权利要求1所述的一种多卫星无碰撞释放的堆叠方式，其特征在于：所述第一环形卡扣和所述第二环形卡扣的内径为30mm，所述第一环形卡扣和第二环形卡扣的外径为50mm。
4.根据权利要求1所述的一种多卫星无碰撞释放的堆叠方式，其特征在于：所述第一环形卡扣和所述第二环形卡扣的厚度为所述单颗卫星厚度的三分之一。
5.基于权利要求1-4任一项所述的多卫星无碰撞释放的堆叠方式的多卫星无碰撞释放方法，其特征在于：步骤如下：
S1、动力学建模：基于自然坐标方法建立所述单颗卫星的刚体动力学模型，并将其连接而成为堆叠卫星系统的多刚体系统动力学模型，通过合适的约束条件使刚体间固结，同时计入轨道运动、分离时刚体间相互作用，运用拉格朗日乘子法获得多刚体系统分离-释放动力学方程；
S2、碰撞检测算法：为了精确快速计算两个所述单颗卫星之间的最小距离，以判断其是否发生碰撞，采用超椭圆近似法将所述单颗卫星的外表面通过连续可微函数进行近似，之后再将最小距离计算问题转化为寻找两个所述单颗卫星上的两个点使得其距离最小的凸优化问题；
S3、分离动力学仿真：对每一个所述单颗卫星进行编号，对堆叠卫星系统进行动力学仿真，寻找合适的释放初始角速度；
S4、释放：切断所述单颗卫星之间的绳索，根据计算出的初始角速度释放卫星，使堆叠卫星系统的释放过程中不同的所述单颗卫星之间均不发生碰撞，卫星依靠自身的初始旋转完成分离。
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