于春宇，許怡賢，李 林，林秋紅

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京100094）

一種大角度大負(fù)載展收機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

于春宇，許怡賢，李 林，林秋紅

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京100094）

針對(duì)為實(shí)現(xiàn)交會(huì)對(duì)接系統(tǒng)可重復(fù)使用而產(chǎn)生的可展收防熱裝置設(shè)計(jì)需求，提出了一種雙四連桿串聯(lián)式防熱罩展收機(jī)構(gòu)，建立了ADAMS仿真模型，以大傳動(dòng)角、避免桿間重疊干涉以及展開(kāi)位置死點(diǎn)自鎖為約束條件，對(duì)展收機(jī)構(gòu)的鉸點(diǎn)位置和連桿長(zhǎng)度等參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了四桿機(jī)構(gòu)在死點(diǎn)位置時(shí)防熱罩展開(kāi)180°的幾何特性，具有斷電保持能力。通過(guò)對(duì)大慣量負(fù)載的驅(qū)動(dòng)力分析，確定了最小驅(qū)動(dòng)力矩（64.6 N·m）?？蓪?shí)現(xiàn)大角度、大負(fù)載重復(fù)展收。

大角度；展開(kāi)機(jī)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；ADAMS

1 引言

隨著航天技術(shù)的飛速發(fā)展，可重復(fù)使用載人航天器已成為世界航天領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。公開(kāi)資料顯示，國(guó)外已基本掌握了整器的可回收、重復(fù)使用技術(shù)［1?2］，但作為載人飛船關(guān)鍵組成部分的交會(huì)對(duì)接系統(tǒng)，仍未見(jiàn)公開(kāi)報(bào)道其可實(shí)現(xiàn)重復(fù)使用。如果交會(huì)對(duì)接系統(tǒng)無(wú)防熱保護(hù)，返回時(shí)交會(huì)對(duì)接系統(tǒng)將會(huì)燒蝕，為了實(shí)現(xiàn)載人飛船交會(huì)對(duì)接系統(tǒng)的重復(fù)使用，需要設(shè)計(jì)一種可展收的防熱裝置，交會(huì)對(duì)接時(shí)展開(kāi)，發(fā)射和返回時(shí)收攏。1999年發(fā)射的星塵號(hào)和2001年發(fā)射的起源號(hào)返回器實(shí)現(xiàn)過(guò)相似任務(wù)［3?4］，但其負(fù)載小，展收角度小，與載人飛船需求相差較大。

本文設(shè)計(jì)了一種雙四連桿串聯(lián)式展收機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)大角度、大負(fù)載的重復(fù)展收動(dòng)作，并對(duì)桿長(zhǎng)和布局等參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 方案設(shè)計(jì)

展收機(jī)構(gòu)的組成如圖1和圖2所示，采用雙四連桿串聯(lián)機(jī)構(gòu)，其中桿1、桿2、桿3和機(jī)架組成一套四連桿機(jī)構(gòu)（稱為下四連桿機(jī)構(gòu)），桿3、桿4、防熱罩和機(jī)架組成另一套四連桿（稱為上四連桿機(jī)構(gòu)），兩套四連桿機(jī)構(gòu)共用桿3，桿3即為下四連桿機(jī)構(gòu)的搖桿又為上四連桿機(jī)構(gòu)的曲柄。桿1與驅(qū)動(dòng)組件相連，驅(qū)動(dòng)組件轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)防熱罩展收動(dòng)作，桿3的特殊構(gòu)型可避免空間干涉。

圖1 展收機(jī)構(gòu)示意圖（收攏狀態(tài)）Fig.1 Schematic diagram of the deployable mecha?nism（Stowed state）

圖2 展收機(jī)構(gòu)示意圖（展開(kāi)狀態(tài)）Fig.2 Schematic diagram of the deployable mecha?nism（deployed state）

2.2 原理說(shuō)明

該雙四連桿串聯(lián)機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)原理如圖3所示，其自由度為1，僅需要一套驅(qū)動(dòng)組件。展收機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)組件通過(guò)撥叉帶動(dòng)桿1轉(zhuǎn)動(dòng)，桿1轉(zhuǎn)角經(jīng)過(guò)連桿機(jī)構(gòu)后放大，實(shí)現(xiàn)大角度展收動(dòng)作，當(dāng)桿1與桿2成直線時(shí)，防熱罩展開(kāi)180°，此時(shí)“下四桿機(jī)構(gòu)”處于死點(diǎn)位置，提供較好的支撐剛度，具有斷電保持能力。桿4設(shè)計(jì)為異型桿件，其特殊構(gòu)型可避免展收過(guò)程中發(fā)生碰撞干涉。

圖3 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖Fig.3 Principle diagram of the deployable mechanism

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 確定設(shè)計(jì)變量及參數(shù)化建模

本文采用ADAMS軟件對(duì)展收機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。為了統(tǒng)一設(shè)計(jì)變量，采用初始位置鉸點(diǎn)的橫、縱坐標(biāo)作為設(shè)計(jì)變量。如圖3所示，以O(shè)點(diǎn)為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，給出A、B、C、D、E、F 6個(gè)點(diǎn)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，根據(jù)空間約束確定12個(gè)變量的初始值及其變化范圍，如表1所示。根據(jù)防熱罩展開(kāi)到180°時(shí)需要具有斷電保持能力的功能要求，通過(guò)設(shè)計(jì)連桿機(jī)構(gòu)處于死點(diǎn)位置以滿足要求。在防熱罩展開(kāi)達(dá)到180°時(shí)，桿AB與桿BC成直線。在ADAMS中所建立的參數(shù)化模型如圖4所示。

表1 設(shè)計(jì)變量及其變化范圍Table 1 The range of variable parameters

3.2 確定約束條件

當(dāng)機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其傳動(dòng)角的大小是變化的，為了保證機(jī)構(gòu)傳動(dòng)良好，設(shè)計(jì)時(shí)通常應(yīng)使傳動(dòng)角大于30°，由此可確定約束條件如式（1）～（2）：

在平面多連桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)中，應(yīng)盡量避免連桿與連桿之間交叉運(yùn)動(dòng)，以避免連桿實(shí)體間干涉，同時(shí)還要考慮連桿與機(jī)架的干涉，根據(jù)連桿機(jī)構(gòu)間的幾何關(guān)系確定，確定約束條件如式（3）～（6）：

下四連桿機(jī)構(gòu)ABCD的約束：

上四連桿機(jī)構(gòu)DEFO的約束：

圖4 ADAMS仿真模型Fig.4 Simulation model in ADAMS

3.3 擬定目標(biāo)函數(shù)

根據(jù)展收機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)要求，在∠ABC等于180°，即達(dá)到死點(diǎn)位置時(shí)，防熱罩OF展開(kāi)了180°，因此，優(yōu)化目標(biāo)是防熱罩展開(kāi)角度減去180°的絕對(duì)值最小。目標(biāo)函數(shù)定義如式（7）：

3.4 優(yōu)化與仿真

本文采用OPTDES?SQP算法來(lái)進(jìn)行優(yōu)化，在模型上添加傳感器以進(jìn)行限位，并建立測(cè)量函數(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)優(yōu)化過(guò)程中主要參數(shù)變化情況［5?8］，目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化結(jié)果如圖5所示。

圖5 目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化結(jié)果Fig.5 Optimized result of the objective fuction

從圖5可看出，優(yōu)化后目標(biāo)函數(shù)值達(dá)到0.096 73，這說(shuō)明在達(dá)到死點(diǎn)位置時(shí)，防熱罩從起始位置正好轉(zhuǎn)過(guò)了180°，滿足優(yōu)化的目標(biāo)。從圖6、圖7可以看出防熱罩從起始位置展開(kāi)到最大角度時(shí)，兩套四連桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)角的變化范圍分別是：33°～90°、50°～90°，均滿足了給定的約束條件。

圖6 上四連桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)角曲線Fig.6 Transmission angle curve of the up?four?link

圖7 下四連桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)角曲線Fig.7 Transmission angle curve of the down?four?link

優(yōu)化前后各桿件長(zhǎng)度的對(duì)比如表2所示。

表2 優(yōu)化前后各桿件的長(zhǎng)度Table 2 The link length before and after potimization

3.5 驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算

展收機(jī)構(gòu)阻力主要包括防熱罩的慣性阻力矩和軸系阻力矩。

防熱罩為質(zhì)量均布的球形結(jié)構(gòu)，對(duì)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量通過(guò)Pro/E三維建模獲得，Ixx＝6.3 kg·m2，Iyy＝4.0 kg·m2，Izz＝4.0 kg·m2。鉸鏈處摩擦系數(shù)為：動(dòng)摩擦0.1，靜摩擦0.2。在ADAMS中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)以1.9°/s的角速度勻速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)60 s后防熱罩剛好轉(zhuǎn)動(dòng)了180°，轉(zhuǎn)動(dòng)周期60 s內(nèi)驅(qū)動(dòng)力矩的仿真結(jié)果如圖8所示。從曲線可以得到驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)扭矩（含減速器）最大值是32.3 N·m，航天器設(shè)計(jì)中一般要求驅(qū)動(dòng)力矩裕度不小于1，所以電機(jī)的輸出扭矩應(yīng)不小于64.6 N·m。

Design and Optimization of a Big Angle and High Load Deployable Mechanism

YU Chunyu，XU Yixian，LI Lin，LIN Qiuhong
（Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China）

Rendezvous and Docking（RVD）is one of the most important functions of the new－genera?tion manned spacecraft.In order to realize repeated use of the RVD equipment，a deployable thermal protection mechanism is needed.A new type of deployable thermal protection mechanism with tandem double?four?links was presented in this paper.The simulation model based on ADAMS software was es?tablished.Big transmission angle，no overlapping interference between the rods and self?locking at the dead point position were set as the constraint conditions to optimize the geometric parameters of the link bars.The thermal protection hatch could deploy to 180°at the“dead point”position of the links and with the torque keeping function.The minimum drive torque（64.6 N·m）was determined by large iner?tia load analysis.The large angle and large load deployment and stowage was realized

big angle；deployable mechanism；optimization；ADAMS

V19

A

1674?5825（2016）06?0755?03

2016?10?20；

2016?11?16

國(guó)家重大科技專(zhuān)項(xiàng)工程（2012AA7060802）

于春宇（1983－），男，碩士，高工，研究方向?yàn)楹教炱鳈C(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。E?mail：ycy5158＠163.com