樓雨涵，解志堅(jiān)，楊 臻，王昊東

(1.中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 太原 030051； 2.中國兵器工業(yè)試驗(yàn)測試研究院， 陜西 華陰 714200)

隨著人類對(duì)空間探索需求的增加，航天器的功能越來越多，結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，空間對(duì)接技術(shù)是實(shí)現(xiàn)航天器在軌裝配、補(bǔ)給、維修、升級(jí)的先決條件。傳統(tǒng)空間對(duì)接技術(shù)多采用推力器配合機(jī)械式對(duì)接機(jī)構(gòu)。目前國內(nèi)外研究方案中，多采用機(jī)械臂配合電磁裝置完成在軌對(duì)接，然后通過持續(xù)電磁引力完成兩航天器的鎖緊連接。電磁對(duì)接相對(duì)于傳統(tǒng)空間對(duì)接具有低燃料消耗、無羽流污染、可小型化、連續(xù)可逆可無沖擊對(duì)接等優(yōu)勢[1-4]。

本文通過對(duì)電磁式對(duì)接系統(tǒng)的研究，驗(yàn)證了電磁柔性對(duì)接的可行性，為以后對(duì)電磁對(duì)接的研究提供了一定參考價(jià)值。電磁柔性對(duì)接總體系統(tǒng)中包含機(jī)械結(jié)構(gòu)鎖，在完成電磁對(duì)接后，利用電磁力驅(qū)動(dòng)鎖緊裝置完成主動(dòng)衛(wèi)星與被動(dòng)衛(wèi)星之間剛性鎖緊連接。鎖緊完成后系統(tǒng)可斷電，有利于減少能源消耗，減少電磁場對(duì)工作元件的干擾。

1 電磁鎖緊解鎖結(jié)構(gòu)

空間電磁對(duì)接系統(tǒng)主要由主動(dòng)系統(tǒng)和被動(dòng)系統(tǒng)兩部分組成，如圖1所示。主動(dòng)系統(tǒng)包括：主動(dòng)系統(tǒng)主電磁鐵、主動(dòng)系統(tǒng)副電磁鐵、精對(duì)準(zhǔn)齒、鎖銷槽、主動(dòng)對(duì)接錐頭。被動(dòng)系統(tǒng)包括：被動(dòng)系統(tǒng)主電磁鐵、被動(dòng)系統(tǒng)副電磁鐵、鎖緊/解鎖電磁鐵、精對(duì)準(zhǔn)槽、鎖緊插板、鎖緊銷、鎖銷彈簧，滑軌，滑塊、被動(dòng)對(duì)接錐口。

1主動(dòng)對(duì)接錐頭；2精對(duì)準(zhǔn)齒；3鎖銷槽；4主動(dòng)系統(tǒng)主電磁鐵；5外殼；6后蓋；7磁路；8電磁線圈(a) 主動(dòng)系統(tǒng)

1被動(dòng)對(duì)接錐口；2鎖緊銷；3鎖銷彈簧；4鎖緊插板；5精對(duì)準(zhǔn)槽；6外殼；7滑塊；8滑軌；9被動(dòng)系統(tǒng)主電磁鐵；10主電磁鐵定位件；11鎖緊/解鎖電磁鐵定位板；12彈簧；13鎖緊/解鎖電磁鐵；14后蓋(b) 被動(dòng)系統(tǒng)圖1 空間電磁對(duì)接系統(tǒng)示意圖

2 電磁鎖緊解鎖工作原理

主動(dòng)衛(wèi)星與被動(dòng)衛(wèi)星接觸后進(jìn)入鎖緊位置后，需利用電磁鎖緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行兩衛(wèi)星之間的剛性鎖緊，以確保兩衛(wèi)星之間的連接可靠。電磁鎖緊機(jī)構(gòu)由鎖緊裝置、鎖緊/解鎖電磁鐵、主動(dòng)系統(tǒng)和被動(dòng)系統(tǒng)主電磁鐵共同工作實(shí)現(xiàn)。利用電磁鐵產(chǎn)生的電磁力進(jìn)行對(duì)鎖緊裝置的驅(qū)動(dòng)，減少了系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)種類，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度。

2.1 電磁鎖緊工作原理

如圖2所示，當(dāng)鎖緊/解鎖電磁鐵與被動(dòng)系統(tǒng)主電磁鐵之間產(chǎn)生電磁斥力，且主動(dòng)系統(tǒng)主電磁鐵與被動(dòng)系統(tǒng)主電磁鐵之間產(chǎn)生電磁引力時(shí)，被動(dòng)系統(tǒng)主電磁鐵帶動(dòng)滑塊和斜面鎖緊插板遠(yuǎn)離鎖緊/解鎖電磁鐵。鎖緊插板插入鎖緊位置，鎖緊插板斜面將鎖銷推入鎖銷槽，此時(shí)完成鎖緊。鎖緊完成后，系統(tǒng)可關(guān)閉所有電源。被動(dòng)系統(tǒng)主電磁鐵受力如圖3所示。

圖2 鎖緊動(dòng)作工作流程示意圖

圖3 被動(dòng)系統(tǒng)主電磁鐵受力示意圖

采用滑軌、滑塊用于減少被動(dòng)系統(tǒng)主電磁鐵與外殼之間相對(duì)移動(dòng)時(shí)的摩擦產(chǎn)生的阻力。為了減少鎖銷與鎖緊插板的斜面之間相對(duì)滑動(dòng)所產(chǎn)生的阻力，鎖銷(如圖4)采用滑動(dòng)軸承與鎖緊插板的斜面接觸。

圖4 鎖銷

2.2 電磁解鎖工作原理

為獲得最大解鎖力，使鎖緊/解鎖電磁鐵與被動(dòng)系統(tǒng)主電磁鐵之間產(chǎn)生電磁引力、主動(dòng)系統(tǒng)主電磁鐵與被動(dòng)系統(tǒng)主電磁鐵之間產(chǎn)生電磁斥力。鎖緊/解鎖電磁鐵和主動(dòng)系統(tǒng)主電磁鐵共同對(duì)被動(dòng)系統(tǒng)主電磁鐵作用從而使得被動(dòng)系統(tǒng)主電磁鐵獲得最大解鎖力帶動(dòng)滑塊和斜面鎖緊插板，鎖緊插板離開鎖緊位置，鎖銷退出鎖銷槽，此時(shí)完成解鎖。為了避免主動(dòng)系統(tǒng)主電磁鐵與被動(dòng)系統(tǒng)主電磁鐵之間產(chǎn)生電磁斥力時(shí)，主動(dòng)衛(wèi)星與被動(dòng)衛(wèi)星之間過早產(chǎn)生分離力而影響鎖銷退出鎖銷槽，主動(dòng)系統(tǒng)和被動(dòng)系統(tǒng)的副電磁鐵之間應(yīng)產(chǎn)生足夠大的電磁引力，抵消主動(dòng)系統(tǒng)主電磁鐵與被動(dòng)系統(tǒng)主電磁鐵之間產(chǎn)生的電磁斥力，使得主動(dòng)衛(wèi)星與被動(dòng)衛(wèi)星之間合力為引力，從而不會(huì)釋放分離。各電磁鐵之間受力情況如圖5所示，其中FA

圖5 解鎖時(shí)各電磁鐵之間受力情況示意圖

解鎖時(shí)，鎖銷軸承在鎖銷彈簧的作用下與插板斜面時(shí)刻保持接觸，鎖緊插板退出鎖緊位置時(shí)，鎖銷退出鎖銷槽。

3 Maxwell 3D仿真

3.1 電磁鎖緊過程

為獲取足夠大的鎖緊驅(qū)動(dòng)力，需采用鎖緊/解鎖電磁鐵和主動(dòng)系統(tǒng)主電磁鐵共同對(duì)被動(dòng)系統(tǒng)主電磁鐵作用的方式，即鎖緊/解鎖電磁鐵與被動(dòng)系統(tǒng)主電磁鐵之間電磁斥力作用、主動(dòng)系統(tǒng)主電磁鐵與被動(dòng)系統(tǒng)主電磁鐵之間電磁引力作用。

根據(jù)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，被動(dòng)系統(tǒng)主電磁鐵移動(dòng)行程為10 mm，鎖緊/解鎖電磁鐵與被動(dòng)系統(tǒng)主電磁鐵之間最小間距1 mm，主動(dòng)系統(tǒng)主電磁鐵與被動(dòng)系統(tǒng)主電磁鐵之間最小間距為3 mm。使用Maxwell 3D建模和電流方向、磁場如圖6所示，其中被動(dòng)系統(tǒng)主電磁鐵沿Z軸移動(dòng)的坐標(biāo)范圍L1=-10～0 mm(-10為解鎖位置，0為鎖緊位置)。電磁鐵參數(shù)設(shè)置如表1。鎖緊力FZ電磁力仿真曲線如圖7。

圖7 被動(dòng)主電磁鐵鎖緊力仿真曲線

表1 鎖緊時(shí)電磁鐵參數(shù)

圖6 鎖緊時(shí)電磁鐵Maxwell 3D建模和電流方向、磁場

3.2 解鎖力

使用Maxwell 3D建模和電流方向如圖8所示，其中被動(dòng)系統(tǒng)主電磁鐵沿Z軸移動(dòng)的坐標(biāo)范圍L1=-10～0 mm(-10為解鎖位置，0為鎖緊位置)。電磁鐵參數(shù)設(shè)置如表2。電磁力仿真曲線如圖9，F(xiàn)orce10_z為主動(dòng)系統(tǒng)所受Z軸電磁引力大小，F(xiàn)z為被動(dòng)系統(tǒng)主電磁鐵受解鎖力大小。由圖9(a)可知Force10_z值為20.5～21.13 N，系統(tǒng)的合力始終為引力。

圖8 解鎖時(shí)電磁鐵Maxwell 3D建模和電流方向

表2 解鎖時(shí)電磁鐵參數(shù)

圖9 電磁力仿真曲線

4 動(dòng)力學(xué)仿真

4.1 建模過程

在動(dòng)力學(xué)建模中，當(dāng)模型零部件較多，系統(tǒng)較為復(fù)雜時(shí)，為了能夠更清晰的掌握運(yùn)動(dòng)規(guī)律，對(duì)模型進(jìn)行合理的簡化和假設(shè)，有利于減少多余的約束和接觸力，減少計(jì)算量、節(jié)約計(jì)算時(shí)間，有利于動(dòng)力學(xué)仿真[5-6]。故對(duì)模型進(jìn)行以下簡化和假設(shè)：

1) 如無具體要求或特殊說明時(shí)，模型的零部件均看作剛體[7]；

2) 模型按照實(shí)際的運(yùn)動(dòng)規(guī)律添加約束，不考慮模型的尺寸公差和誤差；

3) 動(dòng)力學(xué)仿真按照在空間環(huán)境下進(jìn)行，不計(jì)重力加速度的影響，故重力加速度為零；

4) 相互接觸且不參與運(yùn)動(dòng)的零部件之間進(jìn)行布爾加和操作，作為一個(gè)零件處理，并與衛(wèi)星之間添加固定副[8-9]。

使用三維建模軟件UG對(duì)空間電磁柔性對(duì)接系統(tǒng)和衛(wèi)星進(jìn)行建模并導(dǎo)入ADAMS中。按照實(shí)際情況對(duì)零部件進(jìn)行材料、約束、接觸力的添加，并根據(jù)電磁力仿真結(jié)果和計(jì)算結(jié)果對(duì)模型相關(guān)零部件施加驅(qū)動(dòng)、載荷。模型定義主動(dòng)衛(wèi)星與被動(dòng)衛(wèi)星以Z軸為對(duì)接軸，相對(duì)距離LZ=500 mm；以主動(dòng)衛(wèi)星為基準(zhǔn)，將被動(dòng)衛(wèi)星以Z軸(滾轉(zhuǎn)軸)為轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)3°，即兩衛(wèi)星之間滾轉(zhuǎn)角度差為3°；以被動(dòng)衛(wèi)星為基準(zhǔn)，將主動(dòng)衛(wèi)星以俯仰軸為轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)0.15°，即兩衛(wèi)星之間俯仰角度差為0.15°，空間電磁柔性對(duì)接系統(tǒng)ADAMS模型如圖10所示。圖11為仿真模型驗(yàn)證信息界面。

圖10 空間電磁柔性對(duì)接系統(tǒng)ADAMS模型示意圖

圖11 空間電磁柔性對(duì)接系統(tǒng)ADAMS模型驗(yàn)證信息界面

4.2 仿真結(jié)果分析

鎖緊與解鎖過程動(dòng)力學(xué)仿真針對(duì)主動(dòng)衛(wèi)星與被動(dòng)衛(wèi)星進(jìn)入鎖緊位置后的鎖緊動(dòng)作、解鎖動(dòng)作進(jìn)行仿真計(jì)算。主要還原了鎖緊/解鎖動(dòng)作過程，分析了機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)部件之間的受力情況。

各電磁鐵Z軸方向受力曲線如圖12所示。圖12中正方向?yàn)橐Γ?fù)方向?yàn)槌饬?。圖12(b)和圖12(c)中受力大小參照?qǐng)D7和圖9參數(shù)設(shè)置；0.055～0.065 s時(shí)，圖12(a)中一組副電磁鐵負(fù)向的斥力150 N，則兩組副電磁鐵累積提供斥力300 N。

圖12 各電磁鐵Z軸方向受力大小曲線

運(yùn)行鎖緊與解鎖過程動(dòng)力學(xué)仿真曲線如圖13所示。圖13(a)中實(shí)線為被動(dòng)系統(tǒng)主電磁鐵、滑塊、鎖緊插板等移動(dòng)部件的Z軸方向時(shí)間-坐標(biāo)(位移)曲線；虛線為其中一個(gè)鎖緊銷Y軸方向時(shí)間-坐標(biāo)(位移)曲線；圖13(b)曲線為鎖緊銷軸承與鎖緊插板之間Y軸方向接觸力大小曲線；圖13(c)曲線為鎖緊銷軸承與鎖緊銷軸承中心軸之間Y軸方向接觸力大小曲線。

圖13 鎖緊與解鎖過程動(dòng)力學(xué)仿真曲線

結(jié)合圖12和圖13(a)可以看出，t=0～0.5 s時(shí)間段，被動(dòng)系統(tǒng)主電磁鐵和鎖緊/解鎖電磁鐵之間為斥力，主動(dòng)衛(wèi)星主電磁鐵與被動(dòng)衛(wèi)星主電磁鐵之間為引力，此時(shí)被動(dòng)系統(tǒng)主電磁鐵移動(dòng)至鎖緊位置，鎖緊銷插入鎖緊槽；t=0.75～0.16 s 時(shí)間段，副電磁鐵之間相互引力維持衛(wèi)星間連接狀態(tài)，被動(dòng)主電磁鐵和鎖緊/解鎖電磁鐵相互引力、主動(dòng)衛(wèi)星主電磁鐵與被動(dòng)衛(wèi)星主電磁鐵相互斥力，被動(dòng)主電磁鐵在兩個(gè)力作用下反向移動(dòng)10 mm逐漸返回解鎖位置，鎖緊銷移動(dòng)3 mm退出鎖緊槽；

從圖13(b)可以看出，t=0.03 s起，鎖緊銷軸承與鎖緊插板開始接觸，并且以鎖緊動(dòng)作和解鎖動(dòng)作時(shí)接觸力最大，接觸力最大值為147.2 N；t=0.055～0.065 s時(shí)間段，主、被動(dòng)衛(wèi)星之間受到300 N的軸向反作用力(分離力)時(shí)，鎖緊銷軸承與鎖緊插板接觸力最大為79.8 N；該數(shù)據(jù)將用于強(qiáng)度校核，檢驗(yàn)鎖緊銷軸承與鎖緊插板之間是否在受過大載荷時(shí)發(fā)生塑性形變；

從圖13(c)可以看出，t=0.03 s起，鎖緊銷軸承與鎖緊銷軸承中心軸接觸力以鎖緊動(dòng)作和解鎖動(dòng)作時(shí)接觸力最大，最大值為243 N；t=0.055～0.065 s時(shí)間段，主、被動(dòng)衛(wèi)星之間受到300 N的軸向反作用力(分離力)，鎖緊銷軸承與鎖緊銷軸承中心軸接觸力最大為182 N；鎖緊銷軸承中心軸達(dá)到剪切強(qiáng)度。圖中后期接觸力發(fā)生跳變，是因?yàn)檩S承與中心軸相對(duì)滑動(dòng)的過程中，還有徑向的碰撞，導(dǎo)致接觸力振動(dòng)，其大小不變，方向反復(fù)變化。

5 結(jié)論

對(duì)系統(tǒng)電磁力充分合理利用，不需要額外的電機(jī)等驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)，利用電磁柔性對(duì)接技術(shù)中電磁鐵提供的電磁力驅(qū)動(dòng)完成主動(dòng)衛(wèi)星與被動(dòng)衛(wèi)星之間剛性鎖緊連接和解鎖。利用Maxwell 3D對(duì)電磁鎖緊與解鎖釋放技術(shù)所用電磁力進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果將用于驗(yàn)證電磁鎖緊與解鎖釋放機(jī)構(gòu)的可行性，電磁鎖緊與解鎖釋放機(jī)構(gòu)在動(dòng)力學(xué)仿真方面基本符合預(yù)期設(shè)計(jì)。