空间充气结构的充气系统设计和控制

【摘要】： 空间充气展开结构具有发射体积小,结构重量轻,研究和制造成本低,展开可靠等优势,正在成为各国空间技术研究的热点。充气系统是充气展开结构必不可少的部分,主要功能是为结构展开提供足够的气动力,通过调节充气速率来保证充气过程中的稳定性,通过调节展开后的内压来调整结构的形状和承载能力。本文从充气系统工作原理,组成,控制方法等几个方面进行研究,结合空间充气结构展开过程的特殊性对充气系统进行了分析,给出了充气系统的设计方案。 对充气结构展开特点和气压传动工作原理进行了分析,确定了充气系统的组成,选择合理的控制方案,设计了充气系统的结构回路,并对系统的主要元件的特性进行了分析,最后从减轻质量和缩小体积等方面对充气系统进行了集成化分析。 通过气体的物理性质和热力学性质分析,建立了充气系统充气过程的热力学模型,给出了充气过程中压力,温度和时间的关系,应用流体力学和流体运动方程分别建立了气体的质量流量控制的数学模型,得到了主要控制元件开度和气体流速之间的关系。 充气系统对充气速率的控制是通过以PLC为核心的控制回路实现的,在设计合理的控制方案时,本文利用LS-DYNA软件建立了折叠薄膜圆柱管有限元模型,对折叠薄膜圆柱管充气展开过程进行了模拟,研究了不同充气速率对其展开过程的影响。结合试验结果,本文提出了变速充气的充气方案,通过模拟研究,这种充气方式较之定速充气更能保证充气结构的稳定性。 最后,介绍了PLC可编程逻辑控制系统的工作原理和结构特点,给出了PLC的硬件接线图,根据本文所确定的充气控制方案给出了程序控制流程图。