沈 濤 張崇峰?,,1) 王衛(wèi)軍 馮文博 邱華勇

?(上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109)

?(中國航天科技集團有限公司空間結(jié)構(gòu)與機構(gòu)技術(shù)實驗室，上海 201109)

??(上海航天技術(shù)研究院，上海 201109)

引言

對接機構(gòu)技術(shù)是指能夠在太空通過接觸、緩沖、捕獲和剛性聯(lián)接等過程將兩個飛行器在結(jié)構(gòu)上形成一個整體的技術(shù)[1].其中，在軌道上等待對接的飛行器稱為目標飛行器，通過一系列變軌等運動控制與目標飛行器進行對接的飛行器稱為主動飛行器.對接技術(shù)作為航天領(lǐng)域內(nèi)的一項重大技術(shù)主要有以下幾個作用.

(1)大型航天器的在軌組裝.由于對接技術(shù)首要的功能就是可以將兩個航天器通過剛性聯(lián)接固連為一個結(jié)構(gòu)整體，這為一些需要在軌組裝拼接的大型航天器提供了很大的優(yōu)勢[2-3].

(2) 航天員轉(zhuǎn)移以及物資補給.大多數(shù)對接機構(gòu)中都具有可供航天員轉(zhuǎn)移以及物資補給用的通道[4]，在兩飛行器固連完成后，主動飛行器和目標飛行器的通道完整的聯(lián)接[5].

(3)空間在軌服務(wù).空間飛行器的低壽命問題一直是困擾航天工作者的一個重大難題，為了延長航天器在軌的工作壽命[6-7]，許多空間在軌維修以及更換等維護服務(wù)均依靠對接技術(shù)的支持得以實現(xiàn)[8-10].

(4)深空探測等任務(wù)的技術(shù)支持.未來的載人登月以及深空探測等任務(wù)均需將飛行器送入更遠的軌道中去[11-12]，利用對接技術(shù)手段通過多次發(fā)射，多次對接的方式來實現(xiàn).

對接機構(gòu)作為一項關(guān)鍵技術(shù)一直承擔著重要的航天任務(wù)，但隨著載人航天和深空探測任務(wù)的不斷發(fā)展，目前對接機構(gòu)難以滿足未來建立月球軌道空間站的需求，其在功能和性能方面都具有一定的局限性，主要具體有以下幾點.

(1)現(xiàn)有對接機構(gòu)捕獲性能調(diào)整不靈活.由于月球軌道空間站的建設(shè)首先需要完成載人登月任務(wù)，根據(jù)目前載人登月工程綜合論證工作，我國的載人登月任務(wù)擬采用“近地軌道一次對接+環(huán)月軌道兩次對接”這種模式[13-14]，整個任務(wù)周期需要完成三次對接任務(wù).其中，每次對接的主動飛行器與目標飛行器的噸位質(zhì)量均不相同，大致從18 噸與3 噸對接至18 噸與80 噸對接，而現(xiàn)有對接機構(gòu)因其剛度和阻尼等性能都需要在地面調(diào)試完成，故無法滿足在軌多質(zhì)量范圍的對接需求[15-17].

(2)現(xiàn)有對接機構(gòu)質(zhì)量較重.探月飛行器由于需要進入更高的飛行軌道，并同時要進行月面著陸和起飛等過程[18-19]，這便對整個對接系統(tǒng)質(zhì)量要求高于傳統(tǒng)的近地飛行器.我國現(xiàn)有在軌運作的對接機構(gòu)在質(zhì)量上約為540 kg，其中主動件約為320 kg，目標件約為220 kg，相對較重，需要針對月球軌道空間站的任務(wù)在質(zhì)量指標方面進行優(yōu)化設(shè)計.

(3)現(xiàn)有對接機構(gòu)的通道直徑無法滿足需求.月球軌道空間站的搭建需要經(jīng)歷多次發(fā)射來對接進行在軌組裝，同時為了方便儀器及設(shè)備在飛行器間的轉(zhuǎn)移，這就對對接完成后內(nèi)部通道的直徑有了更大的需求，此外，目前在軌的對接機構(gòu)的通道直徑大約是800 mm，其中某些部位由于結(jié)構(gòu)影響使得直徑更小，在航天員穿著航天服的情況下通過該通道較為勉強，故通道直徑的需求也需要考量.

(4)現(xiàn)有對接機構(gòu)適應(yīng)性無法滿足日益苛刻的任務(wù)環(huán)境.載人探月飛行任務(wù)中，對接機構(gòu)需要滿足的空間環(huán)境更為苛刻，月球軌道環(huán)境與近地軌道環(huán)境有著較大的差異，載人登月對接機構(gòu)能夠承受滿足近月空間環(huán)境的高真空特性，以及更寬的高低溫范圍[20].

(5)現(xiàn)有對接機構(gòu)捕獲方式較為單一.由于現(xiàn)有對接機構(gòu)的結(jié)構(gòu)特性，在進行捕獲前需要有一定的推力，致使對接環(huán)上的捕獲鎖在力的作用下成功捕獲到目標飛行器，故不支持利用機械臂對對接機構(gòu)進行?？繉雍蛽u操作[21].

近年來，各國許多航天單位與高校著手研制新型對接機構(gòu)，美國航空航天局與波音公司聯(lián)合研制弱撞擊對接機構(gòu)[22-24] (NASA Docking System Block 1,NDSB1)，其采用完全主動控制型的直線驅(qū)動機構(gòu)，與對接環(huán)相連形成stewart 并聯(lián)機構(gòu)[25]，通過力反饋控制實現(xiàn)對接碰撞過程中的柔順捕獲.歐空局也研制了國際?？繉酉到y(tǒng)[26-27] (international berthing docking mechanism,IBDM)，其依托國際對接系統(tǒng)標準[28]，目的用于未來的新飛船與國際空間站進行對接.Marco Buonomo[29]等設(shè)計了一種磁吸附型對接機構(gòu)，進行了吸附能力測試和磁鐵球運動狀態(tài)研究.Lorenzo Olivieri 等[30]設(shè)計了一種針對小型衛(wèi)星對接的對接機構(gòu)并進行了動力學仿真分析.國內(nèi)徐敏[31]提出了一種弱撞擊式對接機構(gòu)，并對其進行了機構(gòu)設(shè)計與仿真分析.解增輝[32]對弱撞擊式對接機構(gòu)提出了兩種主動柔順控制算法.張玲瑄等[33]建立了弱撞擊式對接機構(gòu)運動學性能及力傳遞性能的優(yōu)化模型.上述研究大多集中在并聯(lián)運動平臺形式的對接機構(gòu)，其結(jié)構(gòu)復雜，加工生產(chǎn)難度大且質(zhì)量較重.基于現(xiàn)有對接機構(gòu)的不足，設(shè)計了一種抱爪式對接機構(gòu).本工作采用恢復系數(shù)方法[34-35]，推導了對接碰撞的影響因素，并加以仿真分析以期為后續(xù)工程研制提供參考數(shù)據(jù).

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

抱爪式對接機構(gòu)采用周邊式構(gòu)型，內(nèi)部通道在整個機構(gòu)的中心部位，其余的傳動以及捕獲緩沖等部組件均安置在機構(gòu)的周邊，該設(shè)計能很好滿足飛行器剛性聯(lián)接之后形成內(nèi)部通道的需要.同時采用了異體同構(gòu)式結(jié)構(gòu)，即主動對接機構(gòu)與目標對接機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計完全相同，在對接任務(wù)中所有的機構(gòu)運動一般由主動對接機構(gòu)實現(xiàn)，目標對接機構(gòu)屬于冗余備份.此外，異體同構(gòu)式設(shè)計能實現(xiàn)主目標對接機構(gòu)之間的互換.圖1 為設(shè)計的抱爪式對接機構(gòu)模型.

原有在軌對接機構(gòu)以靠兩飛行器上的導向板互相接觸再完成捕獲，而導向板內(nèi)翻式的實際會致使對接框的直徑需要比通道直徑大，從而加大了對接機構(gòu)的質(zhì)量.從圖1 抱爪式對接機構(gòu)尺寸包絡(luò)可以看到，由于設(shè)計的抱爪式對接機構(gòu)完全取消了導向板的設(shè)計，故可以將對接框內(nèi)徑與通道直徑一致，從而大幅降低了對接框的質(zhì)量，與此同時，單個對接機構(gòu)上的對接鎖的數(shù)量也能減少.整個抱爪式對接機構(gòu)對輕量化的設(shè)計具有很大的優(yōu)勢，與國內(nèi)外主要在軌工作過的主動對接機構(gòu)質(zhì)量對比如表1所示.

圖1 抱爪式對接機構(gòu)模型及其外包絡(luò)尺寸Fig.1 Outer envelope size of claw-type docking mechanism

根據(jù)圖1 中所示，V 型槽與爪鉤組成了機構(gòu)的捕獲緩沖系統(tǒng)，在對目標飛行器捕獲過程中，通過爪鉤的運動將目標動飛行器上的鎖柄抱住同時相互拉近直至完全捕獲，V 型槽主要功能是緩沖對接過程中的碰撞力，其與底座之間安裝有4 個滑移桿，通過桿內(nèi)的彈簧阻尼結(jié)構(gòu)實現(xiàn)碰撞力的消耗.

表1 主動對接機構(gòu)質(zhì)量對比Table 1 Weight contrast of active docking mechanism

2 捕獲緩沖動力學分析

恢復系數(shù)是指兩物體碰撞時的變形恢復能力的參數(shù)，其定義為碰撞前后兩物體在接觸點上的法向相對分離速度與法向相對接近速度之比，可表示為

其中，V1和V2分別表示兩飛行器碰撞前速度，和分別表示兩飛行器碰撞后速度.

理想的彈性元件在碰撞后可以完全回到原始位置，或是說其能夠恢復物體動能且無損耗，就如同絕對彈性撞擊的情況一樣，此時恢復系數(shù)S=1.當完全不考慮結(jié)構(gòu)彈性時，此時的恢復系數(shù)S=0.自然界中不存在理想的彈性元件，對于實際緩沖器來說S值是在這兩個極限值之間，即0S<1.

為了設(shè)計緩沖器確定S值，需要引入阻尼結(jié)構(gòu)，對于能夠產(chǎn)生與變形速度成正比的力，變形系數(shù)為Kn的彈性元件和阻尼系數(shù)為Cn的線性緩沖器來說，它的當量模型可用線性微分方程來描述

其中，Mn為兩飛行器的當量質(zhì)量，ε 為緩沖器變形量，令ε(t)=，同時引入等效阻尼比ξ=，則可以得到以下關(guān)系式

將式(3)代入式(2)中，同時對緩沖器變形量的二階導為零判定為分離時刻，據(jù)此求得恢復系數(shù)與等效阻尼比之間的關(guān)系式

由此可見，緩沖器的特性決定了抱爪式對接機構(gòu)撞擊前后的恢復系數(shù).顯然，若S=0 時，表示鎖柄與沿著V 型槽的母線方向滑動.V 型槽結(jié)構(gòu)及相關(guān)參數(shù)標定見圖2，假設(shè)在不考慮飛行器的主推力作用和在飛船間軸向夾角不超過限定值的條件下，保證鎖柄能落入到V 型槽底部，則得到如下公式

其中

圖2 V 型槽結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of V-shaped slot

假設(shè)作用點處滑動速度不改變方向且不等于零，則可以進一步減少自由度，簡化當量數(shù)學模型和摩擦的計算.此時，作用點處的摩擦被看作是沿某一方向的常值，并與法向力具有正比例關(guān)系.因此，合反力(摩擦力加上法向力)與法線的夾角為ρ，且ρ=arctan λ，其中λ 為摩擦系數(shù).在這種情況下，當量重量的表達式為

其中βi為向量與作用點處切線之間的夾角.

考慮最惡劣工況初始碰撞只有一個鎖柄與V 型槽相碰，軸向黏彈性緩沖器(其參數(shù)相應(yīng)地為C1，C2，K1，K2),緩沖器的相應(yīng)變形量為ε1和ε2，可以得到

從上式可以看出，緩沖器的變形可以由當量重量為Mn的物體及其位移分別為ε1cos β1和ε2cos β2兩個并聯(lián)的緩沖器的撞擊模型來描述，其變形系數(shù)相應(yīng)為(K1+C1)/sin(β1+ρ)和(K2+C2)/sin(β1+ρ)

3 仿真計算

由于空間中主動飛行器和目標飛行器飛行位姿和精度的不同，對接初始條件也隨之產(chǎn)生變化，不同工況下對接機構(gòu)的捕獲能力與緩沖能力均有所偏差.本文設(shè)計了兩種不同且較為典型的對接初始條件工況，分別對抱爪式對接機構(gòu)進行動力學仿真，分析其捕獲緩沖過程的能量變化以及受力情況.具體的對接初始條件工況如表2 所示.

表2 對接初始條件工況Table 2 Initial condition of docking

從圖3 工況1 對接過程可以看到，抱爪機構(gòu)成功將目標飛行器捕獲，兩飛行器校正完成.

從圖4 工況1 仿真結(jié)果可以看到，系統(tǒng)在正碰下的動能在目標飛行器第一次接觸V 型槽并回彈后，動能從152 N·m 下降至109 N·m，系統(tǒng)動能下降了約28.3%，校正完成后系統(tǒng)動能最終下降了47.4%.3 個V 型槽最大受力約2700 N，且持續(xù)時間較短，最終V 性槽2 穩(wěn)定在600 N 左右.目標飛行器受力最大峰值為6100 N 左右，出現(xiàn)在第一次接觸時，此后的接觸力不超過3000 N，并隨著校正過程逐漸減小至穩(wěn)定.根據(jù)飛行器相對速度變化情況可以得到第一次接觸碰撞后的恢復系數(shù)約為0.64.

圖3 工況1 對接過程Fig.3 Process of docking of 1st working condition

圖4 工況1 仿真結(jié)果Fig.4 Simulation result of 1st working condition

從圖5 工況2 對接過程可以看到，在此工況下抱爪成功將目標飛行器捕獲，兩飛行器校正完成.

圖5 工況2 對接過程Fig.5 Process of docking of 2nd working condition

從圖6 工況2 仿真結(jié)果可以看到，系統(tǒng)在正碰下的動能在目標飛行器第一次接觸V型槽并回彈后，動能從175 Nm 下降至120 Nm，系統(tǒng)動能下降了約31.4%，校正完成后系統(tǒng)動能最終下降了44.5%.3 個V 型槽最大受力約4300 N，且持續(xù)時間較短，V 型槽后期穩(wěn)定在500 N 至1200 N 之間波動.目標飛行器受力最大峰值為4400 N 左右，出現(xiàn)在第一次接觸時，此后的接觸力不超過3200 N，并隨著校正過程逐漸減小至穩(wěn)定.根據(jù)飛行器相對速度變化情況可以得到第一次接觸碰撞后的恢復系數(shù)約為0.42.

圖6 工況2 仿真結(jié)果Fig.6 Simulation result of 2nd working condition

4 結(jié)論

根據(jù)捕獲緩沖機構(gòu)動力學分析和仿真分析，可以得到以下結(jié)論:

抱爪式對接機構(gòu)的飛行碰撞恢復系數(shù)對捕獲功能具有一定的影響，需要根據(jù)機構(gòu)構(gòu)型尺寸設(shè)計滿足任務(wù)需求的捕獲緩沖系統(tǒng)邊界條件，從而調(diào)整恢復系數(shù)保證捕獲成功率；

根據(jù)對接初始條件的不同，工況2 的初始動能比工況1 大，而由于V型槽接觸面與鎖柄間的摩擦作用，工況2 下的目標飛行器受力小于工況1，由此可見在正碰以外的工況條件下，V 型槽與鎖柄的摩擦系數(shù)對整體飛行器碰撞力具有較大影響；

抱爪機構(gòu)在對目標飛行器鎖柄完全抱攏后，鎖柄在V 型槽與爪鉤仍有一定的運動間隙，從而導致校正后期V 型槽仍具有一定的受力，但對實際捕獲緩沖功能影響較小；

抱爪式對接機構(gòu)的緩沖系統(tǒng)能很好消耗整個系統(tǒng)對接過程的動能，在抱爪爪鉤的作用下能夠穩(wěn)定實現(xiàn)目標飛行器的捕獲和校正功能.兩飛行器第一次接觸后的動能下降約30%，校正穩(wěn)定后最終系統(tǒng)動能下降約45%，能滿足設(shè)計需求.

根據(jù)第一次接觸碰撞后的飛行器相對速度變化情況，工況1 的恢復系數(shù)大于工況2，據(jù)此可知正碰工況對于捕獲緩沖能力相對較弱，在非正碰工況下，V 型槽的斜面導向?qū)ψ罱K的捕獲起了很大作用.