孫濤，李娟，李偉達(dá)

(蘇州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215000)

0 引言

大型復(fù)雜的航天器具有較高的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)應(yīng)用價(jià)值，但其成本昂貴、使用價(jià)值高，一旦在軌發(fā)生故障，損失巨大[1]。而在軌服務(wù)技術(shù)緩解了這一個(gè)困境，不但可以增強(qiáng)航天器在軌自主能力，延長(zhǎng)在軌壽命，而且可以保持航天器所執(zhí)行任務(wù)的可持續(xù)性。

連接接口作為航天器連接的重要部件，可以保證航天器之間快速、可靠地連接與分離。隨著航天技術(shù)迅猛發(fā)展，在軌服務(wù)任務(wù)也趨向于復(fù)雜化，其對(duì)連接接口的功能和性能要求也逐漸提高。如日本研制的工程試驗(yàn)衛(wèi)星(ETS-VII)完成了與空間站自主對(duì)接并補(bǔ)給有效載荷的飛行任務(wù)，采用抓手-碰鎖式連接接口，主動(dòng)部分安裝有抓手，被動(dòng)部分安裝把柄[2]；國(guó)防科技大學(xué)完成了一種反對(duì)稱(chēng)異體同構(gòu)中心式對(duì)接接口的設(shè)計(jì)，主、被動(dòng)部分上同時(shí)安裝捕獲槍及容納孔[3]；Michigan空間公司開(kāi)發(fā)了類(lèi)桿錐式連接接口ARD、ASDS、AMDS[4]以及SPHERES項(xiàng)目的小型異體同構(gòu)式連接接口[5]。

為了滿足艙段對(duì)接與更換的在軌服務(wù)任務(wù)需求，本文對(duì)一種合作衛(wèi)星艙段間的機(jī)電連接接口進(jìn)行了研究。

1 方案設(shè)計(jì)

合作衛(wèi)星艙段間對(duì)接與更換在軌任務(wù)順利執(zhí)行，需要連接接口具備快速連接與分離的能力。首先，連接接口應(yīng)具備捕獲、調(diào)姿、定位、緊固等功能。另外，還應(yīng)具備電氣連接功能，來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)與數(shù)據(jù)的傳輸。

圖1為新型機(jī)電連接接口，分為主動(dòng)部分與被動(dòng)部分，分別裝在主動(dòng)艙段與被動(dòng)艙段上。機(jī)電連接接口主要包括4個(gè)模塊：捕獲模塊(用于對(duì)被動(dòng)艙段的抓捕)，其基本構(gòu)形為新型類(lèi)錐桿式對(duì)接接口[6]；精對(duì)準(zhǔn)模塊(用于艙段對(duì)接過(guò)程的調(diào)姿及定位)，其主要為銷(xiāo)孔-錐面配合定位方式；電動(dòng)螺釘緊固模塊(用于艙段對(duì)接完成后的緊固)，其主要為螺紋連接緊固方式；浮動(dòng)電氣連接接口模塊(用于電氣接口的連接)，其連接方式為螺紋傳動(dòng)方式。每個(gè)單模塊同樣分為主動(dòng)部分與被動(dòng)部分，分別裝在主動(dòng)艙段與被動(dòng)艙段上。

對(duì)接的策略如下：在視覺(jué)與測(cè)距系統(tǒng)的作用下，輔助機(jī)械臂將被動(dòng)艙段捕獲并使它滿足捕獲容差，中心桿球頭伸入接受腔里與捕獲鎖碰撞后實(shí)現(xiàn)捕獲鎖緊，中心桿完成對(duì)被動(dòng)艙段的捕獲動(dòng)作。中心桿球頭縮回拉近被動(dòng)艙段，在精對(duì)準(zhǔn)模塊的作用下，逐步實(shí)現(xiàn)兩艙段間姿態(tài)偏差的減小并完成精定位；然后，電動(dòng)螺釘緊固模塊動(dòng)作實(shí)現(xiàn)對(duì)被動(dòng)艙段的鎖緊，兩艙段在機(jī)械上完成連接與力封閉；最后，浮動(dòng)電氣連接接口模塊動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)電氣接口的連接。分離過(guò)程為上述動(dòng)作的逆過(guò)程，具體而言，就是切斷電氣連接—螺釘解鎖—中心桿伸出、球頭解鎖這一系列動(dòng)作[7]。

圖1 機(jī)電連接接口總體方案圖

2 連接接口容差及指標(biāo)

容差是指主動(dòng)艙段能夠?qū)Ρ粍?dòng)艙段進(jìn)行成功捕獲的合理工作范圍，對(duì)于連接接口，應(yīng)當(dāng)滿足艙段對(duì)接與更換任務(wù)中需求的容差指標(biāo)：徑向位置偏差≮±40mm；角度偏差≮±2°。本文中的容差主要分為位置偏差和角度偏差，容差設(shè)計(jì)是受幾何外形尺寸直接影響的。如圖2所示，若x軸為接口主動(dòng)對(duì)接方向，被動(dòng)艙段坐標(biāo)系相對(duì)于主動(dòng)艙段坐標(biāo)系分別沿Ox、Oy、Oz軸位置偏差為dx、dy、dz，被動(dòng)艙段坐標(biāo)系繞Ox、Oy、Oz軸轉(zhuǎn)過(guò)的角度偏差分別為dθx、dθy、dθz。其中，軸向位置偏差：0≤dx≤l；徑向位置偏差：dy=dz=(D-d)/2；自旋方向角度偏差：dθx=[(k-m)/a]×(180°/π)；俯仰、偏航方向角度偏差：dθy=dθz=min[arctan(2h/D)，arcsin(l/2L)]。

圖2中l(wèi)為兩艙段端面初始對(duì)接距離；L為艙段外接圓的半徑；d為球頭直徑；D為接受腔錐底直徑；h為接受腔錐體高度；a為精對(duì)準(zhǔn)柱銷(xiāo)分布圓周半徑；m為精對(duì)準(zhǔn)柱銷(xiāo)球頭直徑；k為精對(duì)準(zhǔn)銷(xiāo)孔錐底直徑。

圖2 機(jī)構(gòu)容差描述

3 捕獲過(guò)程動(dòng)力學(xué)仿真

3.1 仿真模型建立

本文捕獲過(guò)程動(dòng)力學(xué)仿真的目的：用于驗(yàn)證機(jī)構(gòu)具有一定的捕獲及容差能力，能夠滿足容差指標(biāo)要求，以此證明機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

首先，假設(shè)主動(dòng)艙段、被動(dòng)艙段、中心桿及球頭、接受腔的小變形可以忽略，且都為剛體；將主、被動(dòng)艙段簡(jiǎn)化為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的立方體結(jié)構(gòu)；將捕獲模塊的主動(dòng)部分簡(jiǎn)化為中心桿和球頭，將捕獲模塊主動(dòng)部分的直線伸縮運(yùn)動(dòng)等效為中心桿與主動(dòng)艙段之間的直線運(yùn)動(dòng)。最后，將捕獲模塊中的抓捕機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化為捕獲滑塊，捕獲滑塊通過(guò)彈簧與接受腔末端連接，可以沿接受腔末端軸向運(yùn)動(dòng)，中心桿球頭通過(guò)撞擊滑塊實(shí)現(xiàn)捕獲[8]。

建立符合表1 參數(shù)的簡(jiǎn)化后的幾何模型并導(dǎo)入Adams軟件做動(dòng)力學(xué)仿真分析。導(dǎo)入的模型是無(wú)材料特性、無(wú)質(zhì)量、無(wú)約束關(guān)系的，如圖3所示。首先對(duì)模型各零部件添加材料，本接口絕大部分選取鋁合金材料，中心桿和球頭選取不銹鋼材料，質(zhì)量參數(shù)如表2所示。其次，對(duì)模型各零部件之間添加約束關(guān)系，將中心桿與主動(dòng)艙段之間添加移動(dòng)副，捕獲滑塊與接受腔之間添加移動(dòng)副，并在捕獲滑塊末端與被動(dòng)艙段端面之間添加彈簧阻尼器，將中心桿球頭與接受腔、捕獲滑塊之間添加接觸力。

圖3 捕獲過(guò)程仿真示意圖

表1 中心桿與接受腔幾何參數(shù)

表2 對(duì)接系統(tǒng)的質(zhì)量參數(shù)

3.2 工況及分析方法

理想的對(duì)接狀態(tài)是兩艙段間保持相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)且無(wú)相對(duì)角度和位置偏差。由于本文中的捕獲過(guò)程為被動(dòng)艙段已被輔助機(jī)械臂事先控制并送到對(duì)接的?？繀^(qū)域后再由捕獲模塊對(duì)其進(jìn)行二次捕獲的過(guò)程，所以在本文中不考慮軸向位置偏差dx，假設(shè)dx始終為150mm；因?yàn)榉抡嫜芯恐攸c(diǎn)為捕獲碰撞過(guò)程，不涉及精對(duì)準(zhǔn)模塊的位姿校正，所以自旋方向的角度偏差dθx也可不考慮。在理想對(duì)接狀態(tài)下，定義兩艙段間無(wú)軸向?qū)映跛俣?，控制中心桿伸出速度為5mm/s的工況為標(biāo)準(zhǔn)工況[11]。根據(jù)容差指標(biāo)要求，在標(biāo)準(zhǔn)工況的基礎(chǔ)下分別給出了6種工況進(jìn)行仿真，分析接口的捕獲及容差能力，仿真工況如表3。

表3 仿真工況

判斷主動(dòng)艙段能夠捕獲成功的標(biāo)準(zhǔn)是：中心桿球頭沿接受腔內(nèi)壁滑入捕獲區(qū)域且撞擊捕獲滑塊，捕獲滑塊的位移達(dá)到5mm后中心桿球頭被鎖緊，捕獲成功。在仿真軟件中給捕獲滑塊添加傳感器[12]，用來(lái)監(jiān)測(cè)捕獲滑塊受到撞擊后的位移，位移達(dá)到5mm后即刻讓仿真停止。

3.3 仿真結(jié)果分析

圖4為不同工況下仿真結(jié)果曲線變化圖。綜合分析圖4可得，對(duì)于全部工況，被動(dòng)艙段都能夠被成功地捕獲。從圖4(a)可以看出，隨著中心桿的伸出，捕獲距離在持續(xù)下降，但由于對(duì)接初速度的不同導(dǎo)致曲線下降速率也不同，相應(yīng)捕獲時(shí)間也不同。其中，對(duì)于工況1-工況3在球頭未與接受腔發(fā)生接觸碰撞之前曲線下降的速率是一樣的，但在接觸碰撞之后由于不同偏差的存在，曲線下降的速率發(fā)生變化；從3條曲線對(duì)比來(lái)看，在接觸碰撞之后工況1與工況3的曲線幾乎重合，工況2與工況3的曲線相比而言差別較大，說(shuō)明位置偏差對(duì)捕獲的影響比角度偏差的影響大。對(duì)于工況4-工況6亦是如此，但由于對(duì)接初速度的存在，工況4-工況6曲線下降的速率比工況1-工況3曲線下降的速率要快；從3條曲線對(duì)比來(lái)看，同樣可以說(shuō)明位置偏差對(duì)捕獲距離的影響比角度偏差的影響程度大。

從圖4(b)可以看出，對(duì)于全部的工況，中心桿球頭都能撞擊捕獲滑塊并使其位移達(dá)到5mm，此時(shí)中心桿球頭被鎖緊，捕獲成功。其中，對(duì)于無(wú)對(duì)接初速度時(shí)的工況1及工況3，由于中心桿球頭與接受腔之間碰撞使得捕獲滑塊產(chǎn)生了振動(dòng)和沖擊，但滑塊振幅相對(duì)較??；對(duì)于有對(duì)接初速度時(shí)的工況4及工況6，對(duì)捕獲滑塊產(chǎn)生了更大的振動(dòng)和沖擊，滑塊振幅相對(duì)較大。雖然主、被動(dòng)艙段之間加大對(duì)接初速度會(huì)大大縮短捕獲時(shí)間，但這同時(shí)也給被動(dòng)艙段造成了更多的振動(dòng)與沖擊。

圖4 不同工況下仿真結(jié)果曲線變化圖

圖5(a)所示為僅存在位置偏差的對(duì)接工況下的容差范圍，位置容差最大可以達(dá)到53mm。圖5(b)所示為僅存在角度偏差的對(duì)接工況下的容差范圍，角度容差最大可以達(dá)到11°。如圖5(c)所示，對(duì)接狀態(tài)不可能只存在單一偏差，若同時(shí)存在綜合偏差時(shí)容差的范圍分析比較困難，所以只考慮了在接受腔軸截面內(nèi)的容差范圍。綜合分析可以得出：此種對(duì)接狀態(tài)下，在位置容差為±50mm、角度容差為±7°的容差范圍內(nèi)可以確保被動(dòng)艙段被成功捕獲。

圖5 接口容差范圍仿真結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)合作衛(wèi)星艙段間的對(duì)接與更換任務(wù)，介紹了一種新型機(jī)電連接接口。根據(jù)容差指標(biāo)要求給出了連接接口方案設(shè)計(jì)，通過(guò)動(dòng)力學(xué)仿真分析得到了位置容差±50mm、角度容差±7°的容差范圍，驗(yàn)證了連接接口具有一定的捕獲及容差能力且滿足容差指標(biāo)要求。