近日，西南交通大学李翔宇教授课题组在航天器机构动力学方面取得进展，相关成果以“Rigid-flexible coupling dynamics of a threaded reusable low-shock spacecraft separation device”为题发表在动力学领域期刊《Nonlinear Dynamics》。西南交通大学石腾飞博士后为第一作者，西南交通大学李翔宇教授和北京大学刘才山教授为共同通讯作者，合作作者包括西南交通大学刘畅讲师、北京航空航天大学赵振教授，以及中国运载火箭技术研究院余兵高级工程师。论文详细信息见图1，论文链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s11071-024-10591-1
图1 论文首页
器件分离是航天发射过程中常见的关键动作，例如Space X星链发射过程中的助推器分离、级间分离、整流罩分离和星箭分离，累计多达70余次[1]。在运载火箭模块化和商业化的发展趋势下，螺纹式分离装置以其可重复性和低冲击等优点得到广泛应用，如图2所示的飞轮螺杆式、螺杆传动式和分瓣螺母式等分离装置[2]。提升这些分离装置的连接强度和分离精度等性能，对我国运载火箭安全性、可靠性以及复用性等技术突破具有重要意义。
图2 (a) 航天分离过程中的 (b) 飞轮螺杆分离装置 (c) 螺杆传动分离装置和 (d) 分瓣螺母分离装置[2]
分离装置部件之间复杂的非光滑接触，往往对连接强度和分离精度产生不利影响。在螺纹分离装置中，接触界面的几何突变区域容易导致应力集中和应力松弛，从而降低连接强度。复杂外部环境（如空间交变热和箭体振动）会改变螺纹间隙、接触刚度和摩擦系数等局部特性，导致装置性能偏离设计值，影响分离前的连接强度、分离时的冲击强度及分离后的入轨精度。深入研究局部接触状态与整体动力学响应的相互影响，对提升分离装置的安全性和可靠性至关重要。
针对这一需求，本研究以图3所示的螺纹式可重复低冲分离装置为对象，考虑左右螺杆的拉伸扭转耦合变形，以及螺杆螺纹、飞轮螺母和固定壳体之间的摩擦接触作用，建立其在包带预拉力驱动下分离过程的非光滑刚柔耦合多体动力学模型。
图3螺纹式可重复低冲分离装置
该研究的主要创新在于发展了高效的螺纹接触动力学计算模型。将螺纹视为固接于拉伸-扭转耦合螺杆上的变截面悬臂梁，并将螺纹间的面接触简化为几何中点的线接触。基于螺旋线几何特征，提出了螺纹接触变形的几何协调关系，并结合修正悬臂梁变形模型，将螺纹接触力解析地表示为螺杆拉伸扭转的函数。这一方法避免了有限元分析中复杂几何接触所需的网格划分和接触搜索，显著提高了仿真效率。对于图4所示的刚柔耦合动力学过程，该模型在78秒内即可完成左右整个对称结构的仿真，而有限元仅计算右侧一半就需要2720秒，充分体现了所发展模型的高效性。
图 4 刚柔耦合动力学仿真结果
基于所发展的模型，如图5所示，分析了分离前螺杆(a)拉力和(b)扭矩分布特征; 分离过程中螺杆平移旋转(c)位移和(d)速度的演化规律, 以及(e)拉伸应力波和(f)扭转应力波的传播。仿真结果和有限元计算结果一致，展现了模型的精确性。
图5 分离前螺杆(a)拉力和(b)扭矩分布，分离过程螺杆(c)速度和(d)位移演化，以及(e)拉伸波和(f)扭转波的传播
通过系列仿真，研究了外部驱动载荷和内部摩擦等参数对分离时间和冲击强度等动力学响应的影响规律。如图6所示，发现分离时间随着包带预拉力增大、作用行程增大而减小，随着摩擦系数增大而增大，其中螺纹接触摩擦影响远大于导向摩擦接触影响。此外，分离时间越短，冲击强度越大。
图6 外部载荷特征对(a)分离时间和(b)冲击强度的影响，内部摩擦性质对(c)分离时间和(d)冲击强度的影响
综上所述，该研究发展了螺纹式航天分离装置的非光滑刚柔耦合多体动力学高效建模方法，探讨了关键参数对分离动力学响应的影响规律，为我国新一代航天分离装置设计优化提供了理论支撑，也为一般螺纹传动机械系统动力学高效分析提供了新思路。
该研究受到了国家自然科学基金重点项目（No.11932001）、国家自然科学基金青年项目（No. 12402046）、中央高校基本科研业务费专项资金（No.2682024CX054），以及中国运载火箭技术研究院的支持。
参考文献：
[1] 于维姝. 猎鹰9火箭发射60颗星链试验星. 中国航天, 2019, 07: 48-53.
[2] H. Yue, Y. Yang, Y. Liu, F. Yang, J. Wu, R. Qi, Z. Deng. Research progress of space non-pyrotechnic low-shock connection and separation technology (SNLT): A review. Chinese Journal of Aeronautics 2022, 35 (11): 113–154.
