（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

1 引言

空間對(duì)接機(jī)構(gòu)是對(duì)接任務(wù)的重要部分［1］，隨著小型探測(cè)器、衛(wèi)星等無(wú)人航天器的對(duì)接需求日益增加，小型對(duì)接機(jī)構(gòu)日益受到關(guān)注，爪型對(duì)接機(jī)構(gòu)屬于小型航天器無(wú)人自主對(duì)接機(jī)構(gòu)，具有機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)緊湊、自適應(yīng)能力強(qiáng)、小型化、輕量化等優(yōu)點(diǎn)，是我國(guó)未來(lái)無(wú)人空間任務(wù)對(duì)接機(jī)構(gòu)的重要發(fā)展方向。

國(guó)內(nèi)對(duì)小型航天器對(duì)接機(jī)構(gòu)的研究相比國(guó)外較晚，曲廣吉，于偉、楊芳等主要研究了異體周邊式與中心式對(duì)接機(jī)構(gòu)［2-7］，研究成果并不適用于爪型對(duì)接機(jī)構(gòu)，對(duì)爪型對(duì)接機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)作用機(jī)理及對(duì)接表現(xiàn)并未涉及。類似爪型對(duì)接機(jī)構(gòu)應(yīng)用于美國(guó)的“軌道快車”（Orbital Express）計(jì)劃［8-11］，但是公開(kāi)發(fā)表的文章中也未見(jiàn)其動(dòng)力學(xué)仿真分析的相關(guān)文章。由于爪型對(duì)接機(jī)構(gòu)構(gòu)型與桿錐式、周邊式對(duì)接機(jī)構(gòu)完全不同，對(duì)接過(guò)程也必然有差異，必須研究其對(duì)接過(guò)程位姿表現(xiàn)及力學(xué)機(jī)理、確定影響因素。同時(shí)，受到地面模擬空間環(huán)境試驗(yàn)方法的限制，難以充分有效地開(kāi)展對(duì)接機(jī)構(gòu)的地面試驗(yàn)研究。因此，仿真模擬成為對(duì)接機(jī)構(gòu)對(duì)接過(guò)程動(dòng)力學(xué)研究的主要手段。

為了掌握新型爪型對(duì)接機(jī)構(gòu)對(duì)接過(guò)程位姿表現(xiàn)及力學(xué)機(jī)理、確定影響因素，本文利用Adams建立了考慮對(duì)接過(guò)程中的接觸、摩擦及碰撞等非線性因素的對(duì)接機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)對(duì)接過(guò)程進(jìn)行仿真，分析捕獲手抓捕力、捕獲手摩擦力、緩沖器彈簧力、絲杠驅(qū)動(dòng)電機(jī)力的變化與對(duì)對(duì)接過(guò)程的影響，對(duì)對(duì)接過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)階段劃分，并且從能量角度進(jìn)行了緩沖器性能研究，可用于爪型對(duì)接機(jī)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)與研究。

2 爪型對(duì)接機(jī)構(gòu)組成及工作原理

2.1 爪型對(duì)接機(jī)構(gòu)組成

爪型對(duì)接機(jī)構(gòu)主要由主動(dòng)部分和被動(dòng)部分組成，二者分別安裝于主動(dòng)航天器和被動(dòng)航天器上，對(duì)接機(jī)構(gòu)的構(gòu)成如圖1所示（下文所述“對(duì)接機(jī)構(gòu)”均指爪型對(duì)接機(jī)構(gòu)）。其中，對(duì)接機(jī)構(gòu)主動(dòng)部分包括捕獲手、驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)部件、緩沖器、主體結(jié)構(gòu)；被動(dòng)部分屬于配合捕獲定位的瓣殼體結(jié)構(gòu)件。

圖1 爪型對(duì)接機(jī)構(gòu)Fig.1 Claw-type docking mechanism

2.2 爪型對(duì)接機(jī)構(gòu)工作原理

1）捕獲手伸出打航天器開(kāi)準(zhǔn)備對(duì)接

捕獲手在初始狀態(tài)下收攏于主體結(jié)構(gòu)內(nèi)，接到指令后，捕獲手通過(guò)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)部件作用，在主體結(jié)構(gòu)內(nèi)由下向上平動(dòng)伸出，捕獲手關(guān)節(jié)扭簧解除約束，在扭簧作用下捕獲手張開(kāi)，其打開(kāi)狀態(tài)如圖2（a）所示。

2）捕獲手捕獲瓣殼體實(shí)現(xiàn)軟連接

當(dāng)對(duì)接機(jī)構(gòu)接到捕獲指令后，捕獲手迅速收攏。捕獲手在收攏過(guò)程中先抱緊瓣殼，利用捕獲手調(diào)整主、被動(dòng)機(jī)構(gòu)（航天器）相對(duì)位姿關(guān)系，形成初步位置對(duì)準(zhǔn)，如圖2（b）所示。

圖2 對(duì)接過(guò)程階段劃分Fig.2 Phases of docking process

3）捕獲手收回，主、被動(dòng)部分形成剛性連接。

在捕獲完成后，通過(guò)收回捕獲手將兩航天器相互拉緊，過(guò)程中進(jìn)一步校正位姿偏差，捕獲手收回至主體結(jié)構(gòu)內(nèi)，瓣殼體開(kāi)始?jí)嚎s緩沖器，如圖2（c）所示，捕獲手持續(xù)拉緊形成連接預(yù)緊力，最終完成對(duì)接，如圖2（d）所示。

為便于分析，將對(duì)接過(guò)程相應(yīng)劃分為3個(gè)主要階段：初始捕獲段、軟連接段、剛性連接段，分別對(duì)應(yīng)圖2中的（a）到（b）、（b）到（c）、（c）到（d）過(guò)程。定義捕獲手完成合攏時(shí)，為軟連接段的起始時(shí)刻，對(duì)應(yīng)圖2（b）；捕獲手拉至瓣殼手指槽，并且與緩沖器配合對(duì)瓣殼形成運(yùn)動(dòng)約束時(shí)為剛性連接段的起始時(shí)刻，對(duì)應(yīng)圖2（c）。

3 對(duì)接過(guò)程仿真分析

3.1 虛擬樣機(jī)的建立

對(duì)接機(jī)構(gòu)的仿真，首先要建立符合幾何特征、對(duì)接原理的幾何模型，然后將建好的三維模型導(dǎo)入Adams仿真平臺(tái)，添加約束條件，建立反映對(duì)接機(jī)構(gòu)接觸、摩擦等非線性特性的動(dòng)力學(xué)模型［12-14］，對(duì)接機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型如圖3所示。

捕獲手與瓣殼之間添加接觸約束（Contact），根據(jù)材料特性修改參數(shù)并添加摩擦。緩沖器與瓣殼在對(duì)接過(guò)程中會(huì)發(fā)生接觸碰撞，添加接觸約束（Contact），Adams中采用的接觸動(dòng)力學(xué)模型為Hertz沖擊函數(shù)模型［12，15］：

式中：F為法向接觸力；K為接觸剛度系數(shù)；C為阻尼系數(shù)；δ、分別表示接觸法向嵌入量和穿透速度；e為剛度項(xiàng)的貢獻(xiàn)因子。

圖3 對(duì)接機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型Fig.3 Simulator of docking mechanism

3.2 仿真過(guò)程及參數(shù)

兩航天器在相對(duì)靜止且相對(duì)姿態(tài)角為零時(shí)為理想的對(duì)接狀態(tài)，定義在對(duì)正對(duì)接狀態(tài)下，捕獲距離（圖3中所示主、被動(dòng)對(duì)接面中心軸向距離）為150mm時(shí)捕獲指令發(fā)出，仿真過(guò)程開(kāi)始，捕獲距離小于1mm且無(wú)遠(yuǎn)離趨勢(shì)時(shí)，仿真過(guò)程結(jié)束。

主、被動(dòng)航天器分別連接于爪型對(duì)接機(jī)構(gòu)主、被動(dòng)部分上（圖3）。其相對(duì)本體質(zhì)心坐標(biāo)系的質(zhì)量特性如表1所示。

表1 航天器質(zhì)量參數(shù)Table 1 Mass Parameters of Spacecraft

3.3 仿真結(jié)果分析

1）軟連接段開(kāi)始時(shí)刻的確定

對(duì)接過(guò)程開(kāi)始時(shí)刻，捕獲手為打開(kāi)狀態(tài)，接到捕獲指令后，對(duì)接機(jī)構(gòu)的捕獲手首先收回合攏，三個(gè)捕獲手的合攏情況相同，圖4為其中一個(gè)捕獲手肩關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角變化。

圖4 捕獲手關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角Fig.4 Angle of capture hand joint

由圖4可見(jiàn)，捕獲手初始處于打開(kāi)狀態(tài)，其關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角量在80°以上，在7.4s時(shí)，關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角開(kāi)始小于2°，捕獲手關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角合攏了98%以上，之后捕獲手關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角還有小幅下降，但是變化趨勢(shì)平緩。當(dāng)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角小于2°時(shí)，如果捕獲手可以捕獲到瓣殼，則瓣殼一定不會(huì)再脫離，認(rèn)為捕獲手合攏基本完成，規(guī)定7.4s時(shí)為軟連接段的起始時(shí)刻，即捕獲手的合攏只需要7.4s就完成了。

2）剛性連接段開(kāi)始時(shí)刻的確定

剛性連接段的開(kāi)始時(shí)，3 個(gè)緩沖器與3 個(gè)手指槽應(yīng)全部同時(shí)受力，因?yàn)榭赡艽嬖谝延芯彌_器與手指槽受力，但個(gè)別緩沖器或手指槽還未受力的情況，所以剛性連接段的開(kāi)始時(shí)刻應(yīng)為這6個(gè)受力位置中最晚受到力作用的時(shí)刻，圖5為最后受力的手指槽受力變化，其他手指槽受力時(shí)刻稍早，但都在0.5s以內(nèi)，在此沒(méi)有列出具體曲線。

圖5 手指槽受力Fig.5 Pressure of finger groove

由圖5可見(jiàn)，從37s開(kāi)始，捕獲手受到手指槽的作用，說(shuō)明已拉至手指槽位置；此時(shí)所有緩沖器也全部受力，分析可知，對(duì)接過(guò)程進(jìn)入剛性連接段，定義剛性連接段開(kāi)始時(shí)刻為37s，這段過(guò)程中捕獲手與緩沖器對(duì)瓣殼形成運(yùn)動(dòng)約束。

3）對(duì)接過(guò)程分析

圖6為主被動(dòng)對(duì)接航天器的捕獲距離變化曲線，捕獲距離能夠直接反映兩對(duì)接部分的接近情況。

圖6 捕獲距離變化Fig.6 Variation of capture distance

由圖6可見(jiàn)，0-13.5s，捕獲距離保持在150mm，13.5-21.5s，捕獲距離加速下降，21.5-30s，捕獲距離勻速下降，30-37s，捕獲距離波動(dòng)且基本沒(méi)有下降，37s至對(duì)接過(guò)程結(jié)束，捕獲距離勻速下降。

首先分析初始捕獲段，由圖7可知，0-7.4s內(nèi)捕獲手夾緊力為0，說(shuō)明捕獲手沒(méi)有接觸瓣殼，所以捕獲距離沒(méi)有變化。在圖6中，E點(diǎn)對(duì)應(yīng)時(shí)刻為37s，與圖5所示的手指槽受力時(shí)刻完全相同。此時(shí)剛性連接段開(kāi)始，按機(jī)構(gòu)原理可知，捕獲距離勻速下降。AE段即為對(duì)接過(guò)程的軟連接段，這段過(guò)程是對(duì)接過(guò)程中最復(fù)雜的階段，下面對(duì)這段過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)分析。

圖7 捕獲手夾緊力Fig.7 Pressure of capture hand

由圖6可見(jiàn)，軟連接段的AB段中，捕獲手夾緊力為0，沒(méi)有夾緊瓣殼，捕獲距離仍然保持為150mm。由圖7可見(jiàn)，在13.5s時(shí)，夾緊力開(kāi)始上升，此時(shí)對(duì)應(yīng)圖6所示捕獲距離的B點(diǎn)，在BC段，捕獲距離加速下降，可知捕獲手與瓣殼間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，分析引起加速接近運(yùn)動(dòng)的影響因素，給出捕獲手與瓣殼摩擦力變化如圖8所示。

圖8 捕獲手摩擦力變化Fig.8 Variation of friction on capture hand

由圖8可見(jiàn)，由13.5-21.5s，捕獲手與瓣殼摩擦力大于0，對(duì)應(yīng)圖6的BC段，由于相對(duì)滑動(dòng)摩擦力作用，捕獲距離開(kāi)始加速下降，當(dāng)瓣殼在摩擦力作用下加速到與捕獲手相對(duì)靜止時(shí)，摩擦力又下降為0直至31s，對(duì)應(yīng)圖6中捕獲距離CD段的勻速下降。

圖9為緩沖器的受力變化情況，綜合圖8和圖9分析，從31s左右開(kāi)始，摩擦力和緩沖力都開(kāi)始增加，說(shuō)明瓣殼已經(jīng)接觸緩沖器，緩沖器才有力作用。緩沖器的彈性力會(huì)使瓣殼運(yùn)動(dòng)受到一定阻礙。由于靜摩擦力作用，瓣殼體開(kāi)始?jí)嚎s緩沖器，捕獲距離減小，當(dāng)緩沖器壓縮一定量后，緩沖彈力會(huì)大于靜摩擦力，靜摩擦力不足以保持瓣殼與捕獲手的相對(duì)靜止，捕獲手指與瓣殼開(kāi)始出現(xiàn)相對(duì)滑動(dòng)產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦力，按照庫(kù)倫摩擦力的原理，滑動(dòng)摩擦力小于靜摩擦力，因此緩沖器的壓縮量釋放，摩擦力又使瓣殼運(yùn)動(dòng)壓縮緩沖器，如此反復(fù)作用引起圖6中捕獲距離DE段在78 mm 上下波動(dòng)。從圖9中可見(jiàn)，在31～37s時(shí)，緩沖力有三次大于零的波動(dòng)，對(duì)應(yīng)捕獲距離DE段的3段下凹過(guò)程。由緩沖器行程變化（圖10）也可以看出，這段過(guò)程中緩沖行程有三次上升，可以證明緩沖器反復(fù)受壓，捕獲距離持續(xù)波動(dòng)。

圖9 緩沖力變化Fig.9 Variation of buffer force

圖10 緩沖器行程變化Fig.10 Variation of buffer stroke

綜上，爪型對(duì)接機(jī)構(gòu)的對(duì)接過(guò)程分為五個(gè)階段：①自由對(duì)接階段。捕獲手合攏但未接觸瓣殼體，兩個(gè)航天器處于自由狀態(tài)。②加速接近階段。捕獲手夾緊瓣殼，兩個(gè)航天器建立軟連接；捕獲手在絲杠驅(qū)動(dòng)下以恒定速度向主動(dòng)航天器收攏，因此捕獲手與被動(dòng)航天器間的相對(duì)滑動(dòng)產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦力，導(dǎo)致兩個(gè)航天器相互靠近。③穩(wěn)定接近階段。捕獲手與被動(dòng)航天器的速度保持一致，摩擦力為0，被動(dòng)航天器以恒定速度接近主動(dòng)航天器。④波動(dòng)調(diào)整階段。瓣殼接觸到緩沖器頂端，由于緩沖器中彈簧的支撐作用靜止；捕獲手仍然以恒定速度向主動(dòng)航天器收攏，捕獲手與被動(dòng)航天器間的相對(duì)滑動(dòng)產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦力，摩擦力與緩沖力反復(fù)調(diào)整，捕獲距離波動(dòng)。⑤剛性連接階段。捕獲手拉至手指槽，被動(dòng)航天器在緩沖器與捕獲手的合力作用下，以恒定速度接近主動(dòng)航天器直至對(duì)接結(jié)束，剛性連接建立。在不同的階段中，對(duì)接過(guò)程的影響因素、作用機(jī)制及具體表現(xiàn)各不相同，分別由捕獲手抓捕力、捕獲手摩擦力、緩沖器彈簧力、絲杠驅(qū)動(dòng)電機(jī)力等相互作用，交替出現(xiàn)。

4）緩沖器性能

圖11為對(duì)接機(jī)構(gòu)電機(jī)輸入能量和緩沖器吸收能量的變化情況，紅線為電機(jī)輸入能量曲線，藍(lán)線為緩沖器吸能曲線。因?yàn)槌跏紩r(shí)刻系統(tǒng)靜止，所以電機(jī)輸入的能量即為系統(tǒng)的全部輸入能量。

圖11 緩沖器吸能情況Fig.11 Absorbable energy of buffer

由圖11可以看出，兩條曲線十分接近，3 個(gè)緩沖器吸收的總能量與電機(jī)輸入的能量變化趨勢(shì)相同，曲線前段比較平滑，因?yàn)楸粍?dòng)部分還未壓縮緩沖器，緩沖器沒(méi)有吸能，電機(jī)輸入能量在軟連接段達(dá)到0.431J。從37s開(kāi)始，緩沖器吸能和電機(jī)輸入的能量同時(shí)開(kāi)始增加。對(duì)接完成時(shí)，電機(jī)對(duì)系統(tǒng)輸入的總能量為69.1J，主要作用于緩沖器的壓縮，緩沖器儲(chǔ)存了68.5J的能量可供分離使用，約99%的電能儲(chǔ)存至緩沖器中。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)航天器爪型對(duì)接機(jī)構(gòu)對(duì)接過(guò)程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)研究，建立了反映對(duì)接機(jī)構(gòu)接觸、分離、滑動(dòng)、摩擦和碰撞等非線性因素的動(dòng)力學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)稱狀態(tài)下對(duì)接機(jī)構(gòu)對(duì)接過(guò)程的全程仿真模擬。結(jié)果表明：①爪型對(duì)接機(jī)構(gòu)對(duì)接過(guò)程中，主被動(dòng)航天器的接近情況不是線性減小的，捕獲距離接近情況可分為前述五個(gè)階段表現(xiàn)；②在捕獲距離減小過(guò)程中，從30～37s有7s左右的波動(dòng)過(guò)程，造成波動(dòng)的原因是手指摩擦力與緩沖器彈力的相互作用，需進(jìn)一步關(guān)注波動(dòng)情況對(duì)兩對(duì)接航天器及其有效載荷的具體影響；③從37s開(kāi)始，緩沖器將持續(xù)壓緊直至對(duì)接結(jié)束，捕獲距離呈線性下降，緩沖器可以儲(chǔ)存68.5J的能量供分離使用，約99%的電能儲(chǔ)存至緩沖器中。

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