空間機械臂關(guān)節(jié)在軌溫度場數(shù)值仿真分析

冷育龍

摘要：伴隨著航天科技的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)簡單的航天器和無法提供補給能力的空間站早已不能滿足現(xiàn)代化航天活動的實際需要，甚至在發(fā)展的過程中形成了嚴重阻礙。目前，空間機械臂憑借著優(yōu)良的性能及安全可靠的特性受到了廣泛關(guān)注，成功的躋身于太空活動中，作為一種在軌支持、服務(wù)的關(guān)鍵性技術(shù)備受多國科研人員的重視?？臻g機械臂屬于一種艙外活動的設(shè)備，因此關(guān)節(jié)所處的環(huán)境相對復(fù)雜，需要采用先進技術(shù)對其進行準確的熱設(shè)計，從而更好的維護安全可靠運行過程。本文將分析空間機械臂關(guān)節(jié)在軌溫度場數(shù)值仿真技術(shù)的應(yīng)用，結(jié)合具體的數(shù)據(jù)分析，各種因素對關(guān)節(jié)溫度場的影響規(guī)律。

關(guān)鍵詞：空間機械臂；輻射熱流；隔熱組件；仿真技術(shù)

航天事業(yè)的發(fā)展推動著工程持續(xù)進步，傳統(tǒng)的空間站已經(jīng)無法滿足時代的變遷需求，無論是在應(yīng)用還是研究上都存在著或多或少的弊端?？臻g機械臂擁有可靠安全性，對在軌支持和服務(wù)上都能更好的適應(yīng)時代發(fā)展需要，因此逐漸進入到太空領(lǐng)域，并且受到了眾多科研人員的關(guān)注。經(jīng)過具體的實踐，空間機械臂能夠更好的適用于艙外活動，并且擁有廣闊的發(fā)展前景，對于未來的空間科學發(fā)展起到了巨大的推動作用。

一、空間機械臂關(guān)節(jié)的基本概述

空間機械臂主要是通過關(guān)節(jié)、末端作用器及臂桿、控制器共同構(gòu)成。在這些構(gòu)成部分中，最為關(guān)鍵的關(guān)節(jié)是轉(zhuǎn)動軸、減速器及箱體等組件產(chǎn)生共同作用的部分。空間機械臂關(guān)節(jié)的內(nèi)部存在著十分復(fù)雜的減速器結(jié)構(gòu)，這種減速器的結(jié)構(gòu)主要是活齒減速器，為了更好的方便輸入、輸出軸都呈現(xiàn)出多級階梯軸的樣式。為了有效的減輕重載，輸入軸通常是實心結(jié)構(gòu)，而輸出軸則多為空心軸結(jié)構(gòu)。此次研究的過程中，涉及到的空間機械臂關(guān)節(jié)在軌溫度場數(shù)值，主要是由于機械臂關(guān)節(jié)內(nèi)部的活齒減速器呈現(xiàn)出強大的承載能力，并且擁有極高的準確度，可以連續(xù)長時間的工作，這種活齒減速器還可以在小型設(shè)備上實現(xiàn)大傳動比，所以結(jié)合限制的空間機械臂的空間運動范圍，加之輸出力矩較大，必須保證擁有較高的控制精度，同時還需要準確的溫度精度，從而對關(guān)節(jié)的在軌溫度場數(shù)值提出了更高的要求。

二、空間機械臂關(guān)節(jié)在軌溫度場數(shù)值熱分析計算

航天器的熱分析計算可以從三個方面進行，例如軌道計算、外熱流計算及溫度場計算。航天器的熱計算最重要的目的就是在驗證相關(guān)的設(shè)計規(guī)定輸入條件下，保證所有的設(shè)備具體的溫度都能在實際的溫控指標范圍之內(nèi)。輸入的條件涵蓋了計算的具體依據(jù)，同時還有相關(guān)的熱環(huán)境約束條件，其中涉及到的布局、外形構(gòu)造、軌道參數(shù)及姿態(tài)等內(nèi)容。

航天器中典型的熱分析計算流程框圖，是經(jīng)過具體的三個過程才建立起來的。首先是根據(jù)物理模型和相關(guān)的假設(shè)條件，以此構(gòu)造出實際的熱網(wǎng)絡(luò)模型，另外，就是根據(jù)具體的運行軌道條件，和相關(guān)的姿態(tài)穩(wěn)定情況、熱控狀態(tài)及航天器適用的熱物理性質(zhì)等多種參數(shù)，完成空間熱流的計算和具體的熱分析計算，以此獲取到相應(yīng)的熱網(wǎng)絡(luò)數(shù)學模型。最后一個階段就是利用飛行遙感數(shù)據(jù)對相關(guān)的數(shù)學模型加以修正，確保更好的彰顯在軌溫度產(chǎn)生的變化。

航天器軌道計算的具體理論基礎(chǔ)主要是依靠著軌道力學，這是一門非常新穎的應(yīng)用理論學科，在天體力學最原始的基礎(chǔ)上通過航天科學技術(shù)和相關(guān)的技術(shù)發(fā)展需要由此產(chǎn)生，因此涉及到的內(nèi)容十分廣泛，涵蓋了多方面的學科內(nèi)涵。在航天器熱控制領(lǐng)域，無需全方位、全面系統(tǒng)的進行闡述有關(guān)軌道設(shè)計計算方面的知識內(nèi)容。

三、空間機械臂關(guān)節(jié)在軌溫度場數(shù)值仿真分析

空間機械臂由于工作環(huán)境的特殊性，需要充分考慮多種因素，準確分析在軌溫度場數(shù)值。空間機械臂的工作環(huán)境就是空間軌道，所以需要加強對軌道環(huán)境的數(shù)值分析，并且采用仿真技術(shù)進行數(shù)值仿真，還應(yīng)該對不同的工作狀況進行適當?shù)脑谲墱囟葓龇抡?，全面了解機械臂關(guān)節(jié)瞬間的狀態(tài)溫度變化。結(jié)合相應(yīng)的情況，對低溫工況和高溫工況進行溫度場的仿真，由此來提供關(guān)節(jié)的安全保障。

（一）關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)組成及相應(yīng)的溫控指標

此次研究的過程中，涉及到幾種幾何模型，主要包括活齒減速器、箱體及隔熱層。減速器的材料主要是45號鋼，因此最大的直徑達到了224毫米，長度為375毫米，相關(guān)的輸入軸直徑是45毫米，輸出軸的直徑則是80毫米，箱體的實際厚度為50毫米。結(jié)合目前的計算機技術(shù)分析，真實活齒減速器屬于一種外形比較復(fù)雜，同時運動過程也十分復(fù)雜的幾何體，在進行相應(yīng)的數(shù)值模擬時計算比較困難。為此，需要對減速器和箱體的結(jié)構(gòu)加以適當簡化，避免因為過程不當對計算結(jié)果產(chǎn)生影響，從而導(dǎo)致計算機無法求解。

（二）熱控材料的確定

多層隔熱材料是在軌設(shè)備最需要的原始材料，因此在表征多層隔熱組件的方式多種多樣，當量導(dǎo)熱系數(shù)、涂層發(fā)射率、吸收率等都是其中最關(guān)鍵的參數(shù)。為了更加細致的選擇多層隔熱組件和相應(yīng)的隔熱材料，需要對相關(guān)的參數(shù)影響進行適當分析，由此總結(jié)出隔熱組件的當量導(dǎo)熱系數(shù)對空間熱流產(chǎn)生了重要影響。在對熱控材料進行確定的過程中，還應(yīng)該明確隔熱層厚度的影響，為了保證空間機械臂關(guān)節(jié)隔熱層的必要性和相應(yīng)的厚度選擇更加合適，應(yīng)該先計算出無隔熱層厚度之下的關(guān)節(jié)溫度場狀況，之后計算出在不同厚度之下的溫度場結(jié)果。

（三）在軌瞬態(tài)分析

空間機械臂關(guān)節(jié)在軌瞬態(tài)分析是熱設(shè)計中的重點內(nèi)容，瞬態(tài)分析的過程和相關(guān)的軌道參數(shù)能夠呈現(xiàn)出具體的狀況。在軌運行的過程包含著低溫工況及高溫工況兩方面。低溫工況主要是機械臂整體不參與工作，所以關(guān)節(jié)只受到了空間外流的影響。高溫工況則具體是指機械臂全負荷工作，從而關(guān)節(jié)除了要接受空間外熱流的影響下，還會受到內(nèi)部的全負荷熱流影響，并且整個過程，低溫工況下的太陽及軌道之間的夾角呈現(xiàn)出的日期是全年最小，在高溫工況下的太陽和軌道夾角所呈現(xiàn)的日期則是全年最大。

結(jié)語

由于空間機械臂時常用于艙外活動，因此面臨著較為復(fù)雜的環(huán)境，所以需要采取更加準確的熱設(shè)計，確保提供更加安全可靠地技術(shù)支持?？臻g機械臂的功能相當于人類的手臂，所以其關(guān)節(jié)是維持靈活運動及可靠運行的關(guān)鍵，并且能夠為精確抓取目標物體提供保障作用。空間機械臂關(guān)節(jié)在軌溫度場數(shù)值仿真分析的過程涉及到多個方面，為了更好的實現(xiàn)空間機械臂關(guān)節(jié)的使用價值，應(yīng)該積極的分析各個方面的影響要素。