武國梁，解志堅(jiān)，李永振，高碧祥

（1.中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，太原 030051；2.北京航空航天大學(xué)，北京 100191；3.四川航天電子設(shè)備研究所，成都 610100）

0 引言

在軌的抓捕技術(shù)是指衛(wèi)星本體航天器對(duì)目標(biāo)衛(wèi)星航天器的抓捕技術(shù)。在軌抓捕的關(guān)健是對(duì)目標(biāo)衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)剛性連接，由于目標(biāo)衛(wèi)星既可能是合作目標(biāo)衛(wèi)星，也可能是非合作目標(biāo)衛(wèi)星，還可能是失效衛(wèi)星。所以，如何抓捕目標(biāo)衛(wèi)星是現(xiàn)今世界各國在航天領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，各國均在積極研制用于在軌衛(wèi)星抓捕的無人航天器[1-2]。本文介紹的抓捕機(jī)構(gòu)可滿足對(duì)目標(biāo)衛(wèi)星的抓捕和釋放，該機(jī)構(gòu)不僅能滿足衛(wèi)星的特殊要求，而且，具有良好的機(jī)械性能（結(jié)構(gòu)成熟，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，對(duì)目標(biāo)衛(wèi)星撞擊力小，抓捕牢靠，可抓捕可釋放）本文主要針對(duì)目標(biāo)衛(wèi)星靜止時(shí)服務(wù)衛(wèi)星對(duì)其抓捕的抓捕機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)的研究分析，同時(shí)對(duì)該抓捕機(jī)構(gòu)的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)中有無彈簧阻尼對(duì)目標(biāo)衛(wèi)星發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的撞擊力進(jìn)行了分析[3-6]。

1 服務(wù)衛(wèi)星抓捕機(jī)構(gòu)的

1.1 工作原理

利用安裝在服務(wù)衛(wèi)星上的一個(gè)可伸縮機(jī)構(gòu)帶動(dòng)抓捕鎖緊機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)衛(wèi)星的抓捕。當(dāng)服務(wù)衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)滿足抓捕的條件時(shí)，伸縮機(jī)構(gòu)以一定的速度開始帶動(dòng)抓捕機(jī)構(gòu)緩慢伸出，抓捕機(jī)構(gòu)接觸目標(biāo)衛(wèi)星發(fā)動(dòng)機(jī)噴管時(shí)，為防止因撞擊力過大使得抓捕的目標(biāo)衛(wèi)星逃離，在抓捕機(jī)構(gòu)前端設(shè)計(jì)有導(dǎo)向阻尼機(jī)構(gòu)，從而吸收部分撞擊力產(chǎn)生的能量、減小抓捕時(shí)的撞擊力，（本論文著重研究阻尼機(jī)構(gòu)對(duì)抓捕目標(biāo)衛(wèi)星的影響。）服務(wù)衛(wèi)星和目標(biāo)衛(wèi)星的整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，加工原理樣機(jī)如圖2所示，抓捕機(jī)構(gòu)如圖3所示，服務(wù)衛(wèi)星的抓捕工作流程如圖4所示。

圖1 服務(wù)衛(wèi)星和目標(biāo)衛(wèi)星整體結(jié)構(gòu)

圖2 抓捕機(jī)構(gòu)的原理樣機(jī)

1.2 導(dǎo)向阻尼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

當(dāng)抓捕機(jī)構(gòu)在伸縮機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下，緩慢進(jìn)入目標(biāo)衛(wèi)星噴管內(nèi)部時(shí)，抓捕機(jī)構(gòu)會(huì)與目標(biāo)衛(wèi)星噴管發(fā)生撞擊，為防止撞擊對(duì)抓捕機(jī)構(gòu)中的其他器件的損壞，減小撞擊時(shí)產(chǎn)生的撞擊力，設(shè)計(jì)了帶阻尼的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)[7-9]；并且，為使抓捕機(jī)構(gòu)順利進(jìn)入目標(biāo)衛(wèi)星發(fā)動(dòng)機(jī)噴管內(nèi)，又需要設(shè)計(jì)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)中的導(dǎo)向瓣外表與目標(biāo)衛(wèi)星的噴管內(nèi)壁表面相嚙合，使得抓捕機(jī)構(gòu)順利進(jìn)入目標(biāo)衛(wèi)星星噴管內(nèi)。為此設(shè)計(jì)了可以導(dǎo)向又能減小撞擊力的導(dǎo)向阻尼機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖5所示[3]。

圖3 服務(wù)衛(wèi)星抓捕機(jī)構(gòu)

圖4 服務(wù)衛(wèi)星工作流程

圖5 導(dǎo)向阻尼機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

圖6 導(dǎo)向瓣受力圖

導(dǎo)向阻尼機(jī)構(gòu)主要由導(dǎo)向瓣、阻尼桿和支架座等組成。由于目標(biāo)衛(wèi)星噴管的形狀近似漏斗形，因而該機(jī)構(gòu)整體設(shè)計(jì)也呈漏斗，其由三瓣機(jī)構(gòu)組成，每一瓣都有兩組阻尼桿支撐結(jié)構(gòu)，使每個(gè)導(dǎo)向瓣均有4個(gè)自由度。當(dāng)與目標(biāo)衛(wèi)星的噴管接觸時(shí)，會(huì)產(chǎn)生沿導(dǎo)向阻尼機(jī)構(gòu)的法向碰撞力FN，該力可以分解成沿抓捕機(jī)構(gòu)軸向力Fz和沿徑向的力Fr（如圖6所示）。并且，兩個(gè)方向的分力均使導(dǎo)向瓣帶動(dòng)阻尼桿中的彈簧作運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而將撞擊力吸收，轉(zhuǎn)化成阻尼機(jī)構(gòu)的內(nèi)能，實(shí)現(xiàn)減小撞擊力的目的。

2 阻尼機(jī)構(gòu)的建模分析

導(dǎo)向機(jī)構(gòu)撞擊目標(biāo)衛(wèi)星的發(fā)動(dòng)機(jī)噴管可以等效成一個(gè)彈簧阻尼，繼而，可以在ADAMS里設(shè)置加載彈簧的參數(shù)彈簧阻尼參數(shù)[10-14]。等效阻尼法將碰撞過程中碰撞現(xiàn)象處理為連續(xù)動(dòng)力學(xué)，將導(dǎo)向機(jī)構(gòu)撞擊目標(biāo)衛(wèi)星的發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的接觸力等效成一個(gè)彈簧阻尼模型如圖7所示。假設(shè)兩個(gè)物體的接觸點(diǎn)的曲率半徑分別為R1和R2，接觸面的法線方向設(shè)為n?？紤]到材料的阻尼，采用廣義的Hertz公式接觸力具有如下形式[4]：

式（1）彈性力學(xué)中的Hertz剛度k，取決于材料特性和曲率半徑R1，R2，具體如下式：

式中，R1為物體1的接觸面曲率半徑；R2為物體2的接觸面曲率半徑；σi為接觸面間的接觸應(yīng)力；Ei為彈性模量；υi為泊松比；

圖7 彈簧阻尼模型

3 ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真

動(dòng)力學(xué)仿真的初始條件：

1）服務(wù)衛(wèi)星質(zhì)量2 200 kg；

2）目標(biāo)衛(wèi)星質(zhì)量1 600 kg；

3）服務(wù)衛(wèi)星與目標(biāo)衛(wèi)星的相對(duì)位置容差：X方向70 mm，Y方向70 mm；

4）角度容差：X 方向 1°，Y 方向 1°，Z 方向 1°；

5）目標(biāo)衛(wèi)星與服務(wù)衛(wèi)星相對(duì)靜止；

6）目標(biāo)衛(wèi)星與服務(wù)衛(wèi)星無重力環(huán)境下。

3.1 模型簡化與假設(shè)

影響空間衛(wèi)星抓捕的的因素很多，為了簡化對(duì)接抓捕的過程，需要作如下假設(shè)：

1）ADAMS動(dòng)力學(xué)模型按照實(shí)際的運(yùn)動(dòng)添加約束和接觸力，其模型不考慮各種誤差；

2）所有機(jī)構(gòu)均按剛體處理。

3.2 建立動(dòng)力學(xué)模型

利用UG建模軟件對(duì)不影響正常運(yùn)動(dòng)情況下對(duì)服務(wù)衛(wèi)星的抓捕機(jī)構(gòu)進(jìn)行簡化并導(dǎo)入ADAMS中，根據(jù)各機(jī)構(gòu)在實(shí)際工作環(huán)境中，添加抓捕機(jī)構(gòu)的材料屬性和約束；并設(shè)置變量參數(shù)，最后完成動(dòng)力學(xué)仿真的建立，如圖8所示，導(dǎo)向瓣的模型參數(shù)如表1所示。

圖8 動(dòng)力學(xué)仿真模型

3.3 模型參數(shù)設(shè)置

表1 設(shè)置仿真模型的基本參數(shù)

3.4 仿真分析

工作在空間的衛(wèi)星即使受到很小的力，也會(huì)產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)動(dòng)位移。因此，服務(wù)衛(wèi)星抓捕機(jī)構(gòu)對(duì)目標(biāo)衛(wèi)星發(fā)動(dòng)機(jī)噴管撞擊力為研究的關(guān)鍵。本文在不同的速度下，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)有無阻尼情況分別測得接觸力如表2所示。

表2 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)在不同速度下有無阻尼的接觸力

由表2可知該抓捕機(jī)構(gòu)在25 mm/s和在40 mm/s運(yùn)動(dòng)速度時(shí)，導(dǎo)向瓣有阻尼器比無阻尼器導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的撞擊力可以減少15%左右。

導(dǎo)向瓣在有阻尼器和無阻尼器的情況下，導(dǎo)向瓣撞擊目標(biāo)衛(wèi)星發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的接觸力如下頁圖9和圖10所示。

通過上述兩種速度下有無阻尼器的情況對(duì)比分析可以看出，安裝上阻尼器能夠有效降低導(dǎo)向瓣與噴管間的接觸力，接觸力大約減小15%。

通過仿真分析可知有阻尼比無阻尼抓捕機(jī)構(gòu)撞擊目標(biāo)衛(wèi)星后，目標(biāo)衛(wèi)星在空間的上下左右各個(gè)方向的位移量有所減?。ù蠹s15%），尤其在上下方位的位移量降低比較明顯，如圖11和圖12所示。

圖9 V伸縮=25 mm/s時(shí)導(dǎo)向瓣與噴管的接觸力

圖10 V伸縮=40 mm/s時(shí)導(dǎo)向瓣與噴管的接觸力

圖11 目標(biāo)衛(wèi)星在有阻尼與無阻尼兩種情況上下方位的位移

圖12 目標(biāo)衛(wèi)星在有阻尼與無阻尼兩種情況左右方位的位移

4 測試結(jié)果

1）試驗(yàn)條件

①試驗(yàn)環(huán)境為有重力和空氣的實(shí)際環(huán)境；

②服務(wù)衛(wèi)星沿著軌道直線運(yùn)動(dòng)，目標(biāo)衛(wèi)星懸掛在架座上；

③抓捕器安裝在服務(wù)衛(wèi)星前端。

2）試驗(yàn)過程

由于空間環(huán)境都是無重力的，但是，此試驗(yàn)只是模擬階段，因此，試驗(yàn)的環(huán)境是在有重力的情況下，對(duì)抓捕頭中的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)在有阻尼的機(jī)構(gòu)對(duì)目標(biāo)衛(wèi)星抓捕進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果較為相符，試驗(yàn)過程如圖13所示和試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

圖13 樣機(jī)抓捕試驗(yàn)圖

表3 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)在不同速度下有理論與實(shí)測值阻尼的接觸力

5 結(jié)論

1）為了完成特殊抓捕結(jié)構(gòu)的CEO衛(wèi)星的在軌服務(wù)要求，在參閱大量國內(nèi)外的空間抓捕機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種新型衛(wèi)星抓捕機(jī)構(gòu)；

2）由表2可知撞擊力減小15%左右；

3）由圖11和圖12可知有阻尼的抓捕機(jī)構(gòu)比無阻尼的抓捕機(jī)構(gòu)撞擊目標(biāo)衛(wèi)星后，目標(biāo)衛(wèi)星偏轉(zhuǎn)位移減小約15%；

4）導(dǎo)向機(jī)構(gòu)在25 mm/s和40 mm/s速度下有阻尼的接觸力理論值與實(shí)測值的誤差為1.5%和2.2%誤差較小滿足設(shè)計(jì)要求。

5）該服務(wù)衛(wèi)星的抓捕機(jī)構(gòu)中導(dǎo)向阻尼機(jī)構(gòu)為在軌服務(wù)提供新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。