黃意新， 趙 陽(yáng) ， 郭 劍 ， 田 浩

(1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院，哈爾濱 150001； 2. 中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院 研究發(fā)展中心，北京 100076)

一種新型GEO衛(wèi)星在軌捕獲機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析

黃意新1， 趙 陽(yáng)1， 郭 劍2， 田 浩1

(1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院，哈爾濱 150001； 2. 中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院 研究發(fā)展中心，北京 100076)

針對(duì)地球靜止軌道(GEO)衛(wèi)星在軌服務(wù)需求不斷增加，但缺乏專用捕獲接口的問(wèn)題，提出一種 GEO 衛(wèi)星遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管捕獲機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)主要包括三爪式噴管捕獲機(jī)構(gòu)、傘狀導(dǎo)向緩沖機(jī)構(gòu)及噴管支撐與分離機(jī)構(gòu)。介紹了噴管包絡(luò)捕獲原理，通過(guò)對(duì)噴管包絡(luò)捕獲過(guò)程中運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系及碰撞檢測(cè)問(wèn)題的分析，給出了噴管無(wú)碰撞包絡(luò)的捕獲條件，并提出了減速捕獲策略。引入赫茲模型建立了捕獲機(jī)構(gòu)接觸碰撞動(dòng)力學(xué)模型，采用ADAMS進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真分析。結(jié)果表明，在兩星接近速度及捕獲爪驅(qū)動(dòng)速度滿足捕獲條件的情況下捕獲機(jī)構(gòu)能可靠地捕獲目標(biāo)星噴管，采用減速捕獲策略可使捕獲時(shí)碰撞力峰值減小50%以上。

地球靜止軌道衛(wèi)星；遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管；在軌服務(wù)；捕獲機(jī)構(gòu)

在軌捕獲技術(shù)是指在有人或無(wú)人參與的情況下對(duì)空間目標(biāo)實(shí)施抓捕的技術(shù)[1]。對(duì)目標(biāo)的成功抓捕是未來(lái)完成空間站組裝、衛(wèi)星維修、燃料加注等在軌服務(wù)任務(wù)的關(guān)鍵[2]，而對(duì)接機(jī)構(gòu)是完成飛行器捕獲并建立可靠連接的關(guān)鍵部件[3-4]。近年來(lái)隨著航天器輔助入軌、在軌延壽及在軌救援等需求的急劇上升，衛(wèi)星對(duì)接捕獲技術(shù)逐漸受到了各國(guó)的重視。如日本工程試驗(yàn)衛(wèi)星-7(ETS-VII)最早成功演示驗(yàn)證了自主在軌捕獲技術(shù)，通過(guò)6自由度機(jī)械臂ERA及先進(jìn)機(jī)械手ARH開展了兩次漂浮目標(biāo)捕捉試驗(yàn)[5]。美國(guó)的“軌道快車”(Orbital Express)項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一種三叉型對(duì)接捕獲機(jī)構(gòu)，與目標(biāo)星上的楔形適配器相配合，實(shí)現(xiàn)了服務(wù)星Astro對(duì)目標(biāo)星NextSat的捕獲對(duì)接[6]。但上述捕獲機(jī)構(gòu)均是針對(duì)具有特定對(duì)接接口的合作目標(biāo)航天器。

地球靜止軌道(GEO)衛(wèi)星通常造價(jià)昂貴、價(jià)值大，但其通常沒(méi)有設(shè)計(jì)用于在軌服務(wù)的專用捕獲接口。一旦發(fā)射失敗或出現(xiàn)故障進(jìn)行在軌救援的難度很大。然而每年均有一定數(shù)量的GEO衛(wèi)星未能成功入軌或發(fā)生故障[7]，如2009年中國(guó)發(fā)射的印度尼西亞衛(wèi)星，由于火箭第三級(jí)故障，未正確入軌，衛(wèi)星利用自身發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行軌道轉(zhuǎn)移，壽命縮短。另一方面，由于在軌道、姿態(tài)保持過(guò)程中需要消耗燃料，一旦燃料消耗殆盡，便成為太空垃圾，即使其它零部件工作正常，仍需發(fā)射新的衛(wèi)星進(jìn)行替代。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2008年至2010年三年內(nèi)失效的GEO衛(wèi)星中，燃燒耗盡失效的比例達(dá)85.4%[8]。對(duì)此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了GEO衛(wèi)星在軌延壽的問(wèn)題，即通過(guò)發(fā)射一個(gè)帶有充足的推進(jìn)劑的衛(wèi)星平臺(tái)至地球靜止軌道上，同燃料即將耗盡的目標(biāo)衛(wèi)星對(duì)接，連結(jié)成一個(gè)整體，由于服務(wù)星帶有太陽(yáng)能電池翼和離子推進(jìn)器，從而可以用新的平臺(tái)代替目標(biāo)衛(wèi)星上的姿態(tài)與軌道控制和推進(jìn)系統(tǒng)，執(zhí)行軌道保持和姿態(tài)控制任務(wù)，進(jìn)而延長(zhǎng)在軌衛(wèi)星的工作壽命[9-11]。對(duì)于無(wú)延壽價(jià)值的衛(wèi)星則在對(duì)接后，將其推入墳?zāi)管壍?，以減小對(duì)地球靜止軌道資源的占用。此外，還可以將未能正常入軌的衛(wèi)星轉(zhuǎn)移至正確的軌道上來(lái)[12]。因此，GEO衛(wèi)星在軌捕獲技術(shù)作為GEO衛(wèi)星輔助入軌、輔助機(jī)構(gòu)展開、在軌延壽及廢棄離軌的基礎(chǔ)性技術(shù)，具有重要的工程價(jià)值。

目前我國(guó)在軌GEO衛(wèi)星多采用第一代490N遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)[13]，其噴管構(gòu)型一致，適合作為通用捕獲接口。本文根據(jù)此特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種三爪式遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管捕獲機(jī)構(gòu)，用于對(duì)GEO衛(wèi)星遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管進(jìn)行包絡(luò)捕獲，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)兩星連接。在介紹捕獲機(jī)構(gòu)組成與工作原理的基礎(chǔ)上，根據(jù)捕獲過(guò)程兩星運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系，分析了實(shí)現(xiàn)噴管無(wú)碰撞包絡(luò)的捕獲條件，設(shè)計(jì)了減速捕獲策略，采用ADAMS對(duì)捕獲過(guò)程進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真分析。

1 機(jī)構(gòu)組成與原理

1.1 噴管捕獲原理

當(dāng)前，GEO衛(wèi)星在軌捕獲機(jī)構(gòu)中以歐空局的CX-OLEV及SMART-OLEV 最具代表性。項(xiàng)目采用直接捕獲的方式進(jìn)行目標(biāo)星捕獲與固連，通過(guò)一個(gè)安裝在伸縮桿末端的圓錐型抓捕工具直接插入目標(biāo)星遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管，在抓捕工具前端通過(guò)噴管喉部進(jìn)入燃燒室內(nèi)后，利用其上的冠狀擴(kuò)展鎖緊機(jī)構(gòu)卡住噴管喉部，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)星的捕獲，然后伸縮臂縮回將兩星拉近，直到目標(biāo)星星箭對(duì)接環(huán)?？吭诜?wù)星支撐架上實(shí)現(xiàn)兩星固連[14-15]。由于捕獲工具前端必須準(zhǔn)確的通過(guò)直徑只有幾厘米的噴管喉部，該方案對(duì)服務(wù)星的軌道、姿態(tài)控制精度要求極高，同時(shí)需要噴管內(nèi)壁相對(duì)光滑，以減小捕獲工具與噴管的碰撞及摩擦力。一旦捕獲過(guò)程中碰撞力過(guò)大容易將目標(biāo)星撞飛導(dǎo)致捕獲失敗。由于我國(guó)遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)壁粗糙且喉徑較小，不適宜采用這種探桿插入式的方案進(jìn)行捕獲。國(guó)內(nèi)張廣玉、王曉雪等人設(shè)計(jì)的欠驅(qū)動(dòng)三臂型非合作目標(biāo)捕獲機(jī)構(gòu)屬于基于連桿耦合原理的欠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過(guò)多級(jí)連桿耦合，欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂可具有多個(gè)自由度，具有一定的形狀自適應(yīng)能力，但沒(méi)有考慮空間機(jī)構(gòu)由于關(guān)節(jié)數(shù)及驅(qū)動(dòng)元件數(shù)增多而導(dǎo)致的可靠性降低的問(wèn)題[16]。

為提高捕獲過(guò)程的可靠性，降低對(duì)服務(wù)星姿態(tài)控制精度的要求，選擇外包絡(luò)捕獲加內(nèi)導(dǎo)向形式的噴管捕獲機(jī)構(gòu)方案。如圖1所示，服務(wù)星平臺(tái)由星箭適配器改進(jìn)而來(lái)，隨其它衛(wèi)星一起發(fā)射，以節(jié)省發(fā)射成本。其前端裝有三爪式噴管捕獲機(jī)構(gòu)，依靠光學(xué)傳感系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)星遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管測(cè)量獲得兩星相對(duì)位姿及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)噴管進(jìn)入捕獲機(jī)構(gòu)捕獲范圍內(nèi)，對(duì)噴管實(shí)施包絡(luò)捕獲；在導(dǎo)向機(jī)構(gòu)協(xié)作下將噴管壓緊至兩星連接面，實(shí)現(xiàn)兩星固連；進(jìn)而由服務(wù)星姿軌控系統(tǒng)代替目標(biāo)星姿軌控系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)輔助入軌、在軌延壽及廢棄離軌等任務(wù)。

圖1 GEO衛(wèi)星捕獲示意圖Fig.1 Schema of docking with a GEO satellite

1.2 捕獲機(jī)構(gòu)組成

如圖2所示，捕獲機(jī)構(gòu)主要包括三爪式噴管捕獲機(jī)構(gòu)、傘狀導(dǎo)向緩沖機(jī)構(gòu)及噴管支撐與分離機(jī)構(gòu)三部分。三爪式噴管捕獲機(jī)構(gòu)包括三根捕獲爪、雙旋向螺紋絲杠及上、下升降盤等。雙旋向螺紋絲杠驅(qū)動(dòng)上、下升降盤朝相反方向運(yùn)動(dòng)，各捕獲爪下端與下升降盤轉(zhuǎn)動(dòng)連接，上端通過(guò)滑槽與上升降盤銷軸配合，滑槽包括上豎直段和下傾斜段。傘狀導(dǎo)向緩沖機(jī)構(gòu)則由四個(gè)對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)組成，其中曲桿形狀與噴管內(nèi)壁相配合，起到導(dǎo)向與緩沖的作用，碰撞力經(jīng)曲桿、連桿傳遞至滑塊，依靠滑塊與機(jī)架間的阻尼緩沖彈簧進(jìn)行緩沖，原理如圖3所示。噴管支撐與分離機(jī)構(gòu)則由噴管支撐板與分離彈簧組成。

1.底座；2.下升降盤；3.捕獲爪；4.上升降盤；5.機(jī)架；6.噴管支撐板；7.傘狀導(dǎo)向機(jī)構(gòu)；8.壓緊片；9.雙旋向螺紋絲杠；10.上螺紋驅(qū)動(dòng)盤；11.電機(jī)及驅(qū)動(dòng)部件圖2 噴管捕獲機(jī)構(gòu)組成Fig.2 Schema of nozzle capturing mechanism

圖3 導(dǎo)向緩沖機(jī)構(gòu)原理Fig.3 Schema of umbrella-shaped buffer mechanism

捕獲過(guò)程包括噴管包絡(luò)、緩沖校正及壓緊固連三個(gè)階段。捕獲前，絲杠正轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)兩升降盤相向運(yùn)動(dòng)，上升降盤銷軸沿捕獲爪滑槽上豎直段向下運(yùn)動(dòng)，捕獲爪隨下升降盤一起提升伸出，當(dāng)銷軸到達(dá)滑槽下傾斜段時(shí)將壓迫捕獲爪張開。當(dāng)噴管進(jìn)入捕獲范圍后，絲杠反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)兩升降盤相互遠(yuǎn)離，銷軸與滑槽下傾斜段相互作用帶動(dòng)捕獲爪閉合進(jìn)而將噴管包絡(luò)。緩沖校正階段絲杠繼續(xù)反轉(zhuǎn)，進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)捕獲爪收縮進(jìn)而拉近并壓緊噴管。噴管捕獲完成后將在捕獲爪的作用下壓緊于支撐板上并進(jìn)一步將支撐板壓緊于機(jī)架上并同時(shí)壓縮分離彈簧。分離時(shí)依靠分離彈簧推動(dòng)支撐板以提供初始分離力。此外，捕獲爪與末端壓緊片之間裝有碟形彈簧進(jìn)行緩沖。上升降盤與上螺紋驅(qū)動(dòng)盤間設(shè)有阻尼彈簧，避免捕獲爪所受沖擊力直接傳遞至絲杠螺紋牙造成絲杠損傷。噴管支撐板上敷有金屬橡膠層，起到緩沖與增加摩擦的作用。

由于采用了三爪式機(jī)構(gòu)對(duì)噴管進(jìn)行包絡(luò)，保證了捕獲過(guò)程中目標(biāo)星即使受到碰撞亦不會(huì)飛離，提高了捕獲的可靠性。同時(shí)利用捕獲爪與傘狀緩沖機(jī)構(gòu)共同校正兩星相對(duì)位置、姿態(tài)，減小了對(duì)服務(wù)星運(yùn)動(dòng)控制精度的要求。

2 捕獲過(guò)程運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

噴管包絡(luò)階段，服務(wù)星首先實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)星的姿態(tài)跟蹤，調(diào)整與目標(biāo)星的接近速度，同時(shí)控制捕獲爪的閉合速度以實(shí)現(xiàn)對(duì)噴管的包絡(luò)捕獲，確保目標(biāo)星不能逃離。取服務(wù)星坐標(biāo)系O1-X1Y1Z1原點(diǎn)于捕獲機(jī)構(gòu)絲杠軸線上一點(diǎn)，取目標(biāo)星坐標(biāo)系O2-X2Y2Z2原點(diǎn)于噴管末端面中心。捕獲過(guò)程運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系如圖4所示。

圖4 捕獲過(guò)程運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系Fig.4 Kinematic relationships when capturing

設(shè)絲杠驅(qū)動(dòng)上、下升降盤的速度大小為υs，則銷軸在滑槽下傾斜段時(shí)捕獲爪相對(duì)于下升降盤的轉(zhuǎn)動(dòng)速度大小為：

(1)

式中：L1為捕獲爪轉(zhuǎn)動(dòng)中心到滑槽轉(zhuǎn)折處的長(zhǎng)度，β為滑槽兩段間夾角，γ為捕獲爪轉(zhuǎn)動(dòng)角度，且有：

(2)

式中：γ0為捕獲爪初始轉(zhuǎn)動(dòng)角度。則爪上點(diǎn)A、點(diǎn)B在O1-X1Y1Z1中的坐標(biāo)值為：

(3)

(4)

式中：r為捕獲爪轉(zhuǎn)動(dòng)中心到絲杠軸線的距離，z0則為初始時(shí)刻點(diǎn)C的Z1坐標(biāo)值，且有：

(5)

(6)

初始時(shí)刻兩星之間存在一定的姿態(tài)與位置偏差，假設(shè)O2在服務(wù)星坐標(biāo)系中的位置為(dx,dy,dz)，兩星相對(duì)姿態(tài)偏差采用其軸線夾角在慣性坐標(biāo)系O-XYZ中X、Y方向的投影(φ,θ)描述，則有：

(x2,y2,z2)T=A21[(x1,y1,z1)T-(dx,dy,dz)T]

(7)

式中:(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)分別為任意點(diǎn)在O1-X1Y1Z1、O2-X2Y2Z2中的坐標(biāo)值。有變換矩陣：

(8)

忽略兩星相對(duì)姿態(tài)角速度，其相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可用O2在O1-X1Y1Z1中的速度(υx,υy,υz)描述，則t時(shí)刻，O2的坐標(biāo)值為：

(9)

綜合上述各式可得捕獲過(guò)程中捕獲爪上各點(diǎn)在O2-X2Y2Z2中的坐標(biāo)值，進(jìn)而進(jìn)行噴管碰撞與包絡(luò)檢測(cè)。

3 包絡(luò)捕獲策略

3.1 碰撞與包絡(luò)檢測(cè)

完成噴管包絡(luò)前，噴管與捕獲爪的碰撞可能導(dǎo)致目標(biāo)星飛離或捕獲爪損傷，因此需要合理控制兩星接近速度大小υz及捕獲爪驅(qū)動(dòng)速度大小υs，以保證在完成噴管包絡(luò)前捕獲爪不會(huì)與其外壁發(fā)生碰撞，即實(shí)現(xiàn)噴管無(wú)碰撞包絡(luò)，如圖5所示。

(10)

式中：Δc為大于零的安全余量。實(shí)現(xiàn)噴管包絡(luò)的條件為：三捕獲爪上末端點(diǎn)A坐標(biāo)滿足：

(11)

式中：ΔR、Δz為大于零的安全余量。

圖5 碰撞及包絡(luò)檢測(cè)Fig.5 Detection of collision and enveloping

3.2 包絡(luò)捕獲策略

通過(guò)前面的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及包絡(luò)與碰撞檢測(cè)算法，可以獲得各種初始對(duì)接條件下的噴管無(wú)碰撞包絡(luò)的捕獲條件，即兩星接近速度υz及捕獲爪驅(qū)動(dòng)速度υs的范圍，及其對(duì)應(yīng)的完成噴管包絡(luò)時(shí)的時(shí)間tc、兩星參考點(diǎn)距離dc。但除此外，捕獲過(guò)程還需滿足以下約束條件：①兩星最大接近速度，防止兩星相對(duì)速度過(guò)大及緩沖機(jī)構(gòu)過(guò)載；②完成包絡(luò)時(shí)兩星最小相對(duì)距離，避免完成包絡(luò)前緩沖機(jī)構(gòu)與噴管碰撞，同時(shí)為服務(wù)星狀態(tài)調(diào)整提供較大空間；③最大噴管包絡(luò)時(shí)間。

取L1=300 mm，L2=150 mm，L3=200 mm，α=24°，β=30°，Rn=160 mm；捕獲機(jī)構(gòu)初始狀態(tài)z0=54.37 mm，γ0=21.66°，兩星初始相對(duì)位置為：dx0=5.00 mm，dy0=5.00 mm，dz0=620.00 mm，相對(duì)姿態(tài)角為φ=5°，θ=5°。最大接近速度υzmax=80 mm/s，完成包絡(luò)時(shí)兩星最小距離dcmin=100 mm，最大包絡(luò)時(shí)間tcmax=4 s。得到噴管無(wú)碰撞包絡(luò)的捕獲條件范圍如圖6、圖7所示。圖6結(jié)果表明，包絡(luò)時(shí)間隨捕獲爪驅(qū)動(dòng)速度增大而變小，受兩星接近速度影響較小。圖7結(jié)果表明，包絡(luò)完成時(shí)參考點(diǎn)距離隨兩星接近速度增大而減小，受捕獲爪驅(qū)動(dòng)速度影響較小。捕獲爪驅(qū)動(dòng)速度為-12～-18 mm/s、兩星接近速度為-17～-51 mm/s時(shí)，能有效完成噴管包絡(luò)動(dòng)作。

圖6 噴管無(wú)碰撞包絡(luò)的捕獲參數(shù)與包絡(luò)時(shí)間關(guān)系Fig.6 Enveloping time and capturing parameters

圖7 噴管無(wú)碰撞包絡(luò)完成時(shí)兩星參考點(diǎn)相對(duì)距離Fig.7 Relative distance of reference points when enveloped

根據(jù)文獻(xiàn)[17]的研究結(jié)果，為進(jìn)一步減小捕獲過(guò)程中兩星碰撞力，采用減速捕獲策略，即在滿足噴管無(wú)碰撞包絡(luò)的捕獲條件的前提下，服務(wù)星以較大初始速度接近目標(biāo)星，在捕獲過(guò)程中逐漸減速。同時(shí)完成包絡(luò)后，捕獲爪驅(qū)動(dòng)速度迅速減小，從而以較小的速度拉近兩星距離，使緩沖校正階段較為平穩(wěn)，捕獲過(guò)程控制方程如下：

(12)

即服務(wù)星初始時(shí)刻以υz0速度接近目標(biāo)星，并在tz時(shí)刻開始以kz大小開始減速，捕獲爪驅(qū)動(dòng)速度初始值為υs0，在完成包絡(luò)后的ts時(shí)刻減速至υs0-υs1，并以此速度繼續(xù)閉合收縮拉近目標(biāo)星。

4 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

為驗(yàn)證捕獲機(jī)構(gòu)功能、噴管無(wú)碰撞包絡(luò)的捕獲條件及減速捕獲策略的有效性，在ADAMS下建立了系統(tǒng)多剛體動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)噴管包絡(luò)及緩沖校正階段進(jìn)行仿真。動(dòng)力學(xué)建模假設(shè)：①假設(shè)兩星均為剛體，捕獲機(jī)構(gòu)與服務(wù)星剛性連接；②忽略軌道動(dòng)力學(xué)效應(yīng)；③忽略兩星相對(duì)角速度；④捕獲過(guò)程中接觸碰撞為單點(diǎn)接觸碰撞；機(jī)構(gòu)參數(shù)及對(duì)接初始條件如上節(jié)所述，兩星質(zhì)量特性如表1所示。捕獲參數(shù)：υs0=14 mm/s，υz0=50 mm/s，tz=0 s，ts=2.50 s，kz=5 mm/s2，ks=10 mm/s2。

捕獲爪與噴管碰撞動(dòng)力學(xué)模型如圖8所示，壓緊片與噴管外壁接觸碰撞，與捕獲爪之間通過(guò)非線性彈簧阻尼器連接。接觸力采用建立在彈性理論基礎(chǔ)上的赫茲接觸模型計(jì)算：

Fc=Fft+Fnn

(13)

式中：Ff為接觸碰撞作用點(diǎn)處的摩擦阻力，即切向分量，F(xiàn)n則為接觸作用力法向分量，t、n分別為切向單位矢量、法向單位矢量。分別有：

(14)

式中：Kc為接觸剛度系數(shù)，Cc為接觸阻尼系數(shù)，μc為接觸摩擦系數(shù)，δ為接觸點(diǎn)法線方向的相互“侵入”量。

圖8 噴管捕獲爪碰撞模型Fig.8 Dynamic model of impact between nozzle and claw

航天器質(zhì)量/kgIxx/(kg·m2)Iyy/(kg·m2)Izz/(kg·m2)目標(biāo)星50007.72×1097.23×1094.16×109服務(wù)星20001.023×1091.023×1097.77×108

5 仿真結(jié)果分析

包絡(luò)捕獲及緩沖校正階段仿真結(jié)果如圖9～圖13所示。其中(a)組采用減速捕獲，(b)組采用勻速捕獲。圖9給出了三捕獲爪末端抓持點(diǎn)相對(duì)于目標(biāo)星噴管軸線的距離變化，從圖中可以看出減速捕獲、勻速捕獲分別在2.8 s、2.2 s實(shí)現(xiàn)了對(duì)噴管的包絡(luò)，且如圖12所示包絡(luò)前碰撞力大小均為0，表明前述噴管無(wú)碰撞包絡(luò)條件計(jì)算方法的正確性。

圖10為兩星參考點(diǎn)相對(duì)位置變化，從圖10(b)中可以看出，在7.0 s時(shí)由于碰撞目標(biāo)星開始遠(yuǎn)離服務(wù)星，兩星距離從10 mm增大至50 mm，但在12.5 s左右在捕獲爪的作用下將目標(biāo)星重新拉回，對(duì)應(yīng)有圖12中12.5 s時(shí)最大值為400 N的碰撞力；同時(shí)圖10亦表明減速捕獲策略下，兩星相對(duì)距離變化更為平穩(wěn)，未出現(xiàn)由于碰撞使目標(biāo)星飛離的情況。圖11、圖12分別為兩星相對(duì)速度變化、碰撞力變化。圖13為兩種工況下碰撞力峰值比較，分別為減速捕獲中捕獲爪1、勻速捕獲中捕獲爪3的碰撞力峰值。從中可以看出勻速捕獲階段最大碰撞力為775.76 N，由于碰撞而產(chǎn)生的速度變化峰值為46.51 mm/s，而減速捕獲策略中碰撞力峰值為335.55 N，由于碰撞產(chǎn)生的速度變化峰值為23.43 mm/s。減速捕獲策略下，碰撞力峰值減小56.75%，相對(duì)速度變化峰值減小49.62%。

圖9 捕獲爪末端抓持點(diǎn)位置Fig.9 Claws’ position relative to nozzle

圖10 兩星參考點(diǎn)相對(duì)位置Fig.10 Relative distance of the reference points

圖11 兩星相對(duì)速度Fig.11 Relative speed betweenchaser and target

圖12 各捕獲爪與噴管碰撞力Fig.12 Impact forces between claws and nozzle

圖13 碰撞力峰值比較Fig.13 Comparison of the amplitude of impact forces

上述分析結(jié)果表明，在滿足噴管無(wú)碰撞包絡(luò)捕獲條件下，捕獲機(jī)構(gòu)能可靠地完成目標(biāo)星捕獲任務(wù)。若采用減速捕獲策略，則可以進(jìn)一步減小捕獲過(guò)程中的碰撞力，使捕獲過(guò)程更為平穩(wěn)。

6 結(jié) 論

針對(duì)GEO衛(wèi)星在軌服務(wù)需求，設(shè)計(jì)了一種三爪式遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管捕獲機(jī)構(gòu)，對(duì)捕獲過(guò)程運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行分析，給出了噴管包絡(luò)及碰撞檢測(cè)算法，得到了實(shí)現(xiàn)噴管無(wú)碰撞包絡(luò)所需的初始捕獲條件，同時(shí)提出了減速捕獲策略。利用ADAMS建立系統(tǒng)多剛體動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)捕獲過(guò)程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，結(jié)果表明：

(1)在滿足噴管無(wú)碰撞包絡(luò)捕獲條件的情況下，捕獲機(jī)構(gòu)能有效包絡(luò)目標(biāo)星噴管，實(shí)現(xiàn)服務(wù)星捕獲。捕獲過(guò)程只需控制兩星接近速度及捕獲機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)速度兩個(gè)變量，降低了對(duì)服務(wù)星運(yùn)動(dòng)控制精度的要求。

(2)由于捕獲時(shí)首先采用三爪式機(jī)構(gòu)對(duì)噴管進(jìn)行包絡(luò)，保證了目標(biāo)星在碰撞力作用下不會(huì)飛離服務(wù)星，提高了捕獲過(guò)程的可靠性。

(3)勻速及減速捕獲策略均能實(shí)現(xiàn)目標(biāo)星捕獲，但在捕獲時(shí)間相當(dāng)?shù)那闆r下，減速捕獲策略能使捕獲過(guò)程中碰撞力峰值大小減小50%以上，減小對(duì)兩星的沖擊影響，使捕獲過(guò)程更為平穩(wěn)可靠。

GEO衛(wèi)星在軌捕獲是一項(xiàng)涉及機(jī)構(gòu)、動(dòng)力學(xué)與控制等多學(xué)科的系統(tǒng)性工程問(wèn)題，后續(xù)的研究工作將考慮兩星成功對(duì)接時(shí)相對(duì)位姿與相對(duì)速度條件，目標(biāo)星太陽(yáng)翼等大型柔性附件對(duì)捕獲過(guò)程的影響，服務(wù)星重復(fù)使用時(shí)質(zhì)量變化對(duì)捕獲過(guò)程的影響，質(zhì)心偏心對(duì)捕獲過(guò)程的影響及捕獲完成后的組合體大范圍軌道機(jī)動(dòng)等問(wèn)題。

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Design and analysis of a novel on-orbit capture mechanism for GEO satellites

HUANG Yixin1, ZHAO Yang1, GUO Jian2, TIAN Hao1

(1. School of Astronautics, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China；2. Research Center, China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing 100076, China)

On-orbit servicing for GEO satellites, such as orbital life extension, rescuing and deorbiting, is a valuable task from the commercial prospective. However, GEO satellites lack capturing interface as cooperative targets have. A three-claw type capturing mechanism was designed to grasp the liquid apogee nozzle, a common part in GEO Satellites. The kinetic model of the capturing process was established. According to that, a collision-free enveloping method and a decelerating grasping strategy were proposed. The Hertz model was applied as the impact model when capturing and dynamic analysis was conducted by using ADAMS software. Results show that by controlling the approach speed of satellites and the drive speed of capturing mechanism the GEO satellite’s nozzle can be enveloped and captured reliably. Using decelerating grasping strategy, the amplitude of impact force is reduced by 50%, and the process is more smooth and steady.

geostationary satellite; apogee engine nozzle; on-orbit servicing; capturing mechanism

國(guó)家“973”計(jì)劃(2013CB733004)

2015-11-23 修改稿收到日期：2016-04-02

黃意新 男，博士生，1987年9月生

趙陽(yáng) 男，教授，博士生導(dǎo)師，1968年5月生

V526

A

10.13465/j.cnki.jvs.2016.24.022