馬如奇，高翔宇，姜水清，白 美，王友漁，侯 亮

(北京空間飛行器總體設(shè)計部空間智能機(jī)器人系統(tǒng)技術(shù)與應(yīng)用北京市重點實驗室，北京100094)

1 引言

人類對航天器性能、效率、壽命、成本提出越來越高的需求，目前有效的解決途徑是在軌服務(wù)技術(shù)。美國先后開展了軌道快車計劃[1]、鳳凰計劃[2]等項目，在該領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位；歐洲各國在歐空局主導(dǎo)下開展了ROGER、ROTEX、TECSAS等在軌服務(wù)驗證項目[3-6]；日本也開展了與在軌服務(wù)相關(guān)的ETS-VII項目[7-8]。

開展在軌服務(wù)首先需要實現(xiàn)服務(wù)航天器對受服務(wù)航天器的在軌捕獲對接，小型對接機(jī)構(gòu)作為在軌服務(wù)中建立航天器間剛性連接的重要執(zhí)行系統(tǒng)，是決定在軌服務(wù)任務(wù)是否能夠順利開展的關(guān)鍵設(shè)備。早期對接機(jī)構(gòu)的研究主要針對應(yīng)用于載人航天的大型航天器，該類對接機(jī)構(gòu)的主要特點是對接過程有人參與，典型形式為異體周邊式與中心式[9]，機(jī)構(gòu)中間需設(shè)計航天員通道。隨著在軌服務(wù)技術(shù)的發(fā)展，針對在軌服務(wù)的小型對接機(jī)構(gòu)成為領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點，其主要特點是對接過程無人參與，能夠重復(fù)多次使用，并需要保證服務(wù)航天器與受服務(wù)航天器間的可靠對接與分離[10-12]。

本文在借鑒現(xiàn)有小型對接機(jī)構(gòu)設(shè)計基礎(chǔ)上，針對某型號任務(wù)對在軌無人對接捕獲的實際需求，提出一種三爪式小型無人對接機(jī)構(gòu)方案，該對接機(jī)構(gòu)由主動捕獲機(jī)構(gòu)與被動適配器組成，通過主動捕獲機(jī)構(gòu)上圓周均布的3個捕獲手抓與3個線性緩沖阻尼單元，實現(xiàn)航天器間的大容差與弱沖擊捕獲對接；根據(jù)任務(wù)需求在對接機(jī)構(gòu)對接平面上設(shè)計用于工質(zhì)傳輸?shù)臋C(jī)電液接口，以實現(xiàn)航天器間的機(jī)、電、液、信息一體化對接。

2 任程分析

小型空間對接機(jī)構(gòu)的主要任務(wù)是輔助建立航天器間的剛性連接，并在此基礎(chǔ)上為在軌服務(wù)提供接口聯(lián)通與工質(zhì)傳輸通道。為確保對接機(jī)構(gòu)滿足在軌服務(wù)的應(yīng)用需求，需要對在軌服務(wù)任務(wù)流程進(jìn)行分析，以明確不同任務(wù)段對對接機(jī)構(gòu)設(shè)計的約束與要求。一次完整的在軌服務(wù)可概括為5個階段：

1)捕獲條件建立。通過服務(wù)航天器相對于受服務(wù)航天器的在軌機(jī)動，使受服務(wù)航天器中的對接部分逐步處于服務(wù)航天器對接機(jī)構(gòu)的有效捕獲容差范圍內(nèi)，并保持兩航天器間的相對位姿，為航天器間的捕獲對接提供初始條件。

2)目標(biāo)捕獲與位姿校正。服務(wù)航天器利用對接機(jī)構(gòu)實現(xiàn)對受服務(wù)航天器的在軌捕獲，并通過對接機(jī)構(gòu)實現(xiàn)兩航天器間的位姿校正，為航天器間的工質(zhì)傳輸通道建立提供便捷條件。

3)弱碰撞剛性對接。在航天器相對位姿偏差校正完成后，兩航天器在對接機(jī)構(gòu)的牽引下相互靠攏，同步實現(xiàn)機(jī)電接口對接與工質(zhì)通道對接建立；為避免對服務(wù)界面造成破壞，要求對接過程盡量在弱碰撞沖擊條件下完成。

4)在軌服務(wù)。利用對接機(jī)構(gòu)建立的剛性連接條件、機(jī)電接口及工質(zhì)通道，即可有效開展航天器間的在軌服務(wù)任務(wù)。

5)解鎖分離。在軌服務(wù)任務(wù)完成后，對接機(jī)構(gòu)需根據(jù)任務(wù)指令完成工質(zhì)傳輸通道封閉、電氣斷路、機(jī)械解鎖及航天器間的在軌分離，整個分離過程要求在無沖擊條件下完成。

3 對接機(jī)構(gòu)設(shè)計

3.1 總體方案

本文設(shè)計的小型空間對接機(jī)構(gòu)主要包括主動抓捕機(jī)構(gòu)與被動適配器，如圖1所示。主動抓捕機(jī)構(gòu)與被動適配器分別安裝于服務(wù)航天器和受服務(wù)航天器上，在主動機(jī)構(gòu)對被動適配器抓捕對接時，同步實現(xiàn)航天器間的機(jī)電、液、氣、信息傳輸通道建立。對接機(jī)構(gòu)主要設(shè)計參數(shù)如表1所示。

圖1 空間小型對接機(jī)構(gòu)Fig.1 Small-sized space docking mechanism

表1 對接機(jī)構(gòu)主要設(shè)計參數(shù)及指標(biāo)Table 1 Design parameters and indexes of the docking mechanism

對接機(jī)構(gòu)的工作流程設(shè)計如下：

1)服務(wù)航天器在軌機(jī)動，使受服務(wù)航天器上的被動適配器位于主動抓捕機(jī)構(gòu)的位姿容差內(nèi)；

2)主動抓捕機(jī)構(gòu)中圓周均布的3套捕獲手指在驅(qū)動系統(tǒng)的驅(qū)動下逐步收攏，并與被動機(jī)構(gòu)上的3個V型錐面凹槽配合，實現(xiàn)航天器間的初始位姿校正；

3)驅(qū)動系統(tǒng)通過捕獲手指帶動被動適配器向機(jī)構(gòu)對接平面靠攏，在緩沖阻尼器的配合下完成航天器間的機(jī)械對接；

4)在機(jī)械對接的過程中，同步完成電氣接口及工質(zhì)傳輸通道的建立；

5)開展在軌服務(wù)后，電氣及工質(zhì)傳輸通道自動關(guān)閉，在緩沖阻尼器的作用下實現(xiàn)航天器間的無沖擊分離。

從對接機(jī)構(gòu)的工作過程可以看出，其工作過程與前文分析的在軌服務(wù)流程一致，能夠覆蓋在軌服務(wù)各任務(wù)段功能需求。

3.2 主動機(jī)構(gòu)

主動抓捕機(jī)構(gòu)設(shè)計為3部分：主體支撐結(jié)構(gòu)、四桿式三指抓捕機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動機(jī)構(gòu)。主體支撐結(jié)構(gòu)上設(shè)計有用于對接緩沖的線性阻尼器、判定鎖緊力的壓力傳感器及氣/液/電路連接器和斷接器及控制器。抓捕機(jī)構(gòu)如圖2所示，為實現(xiàn)對被動適配器的位姿校正及可靠抓捕，采用三指圓周均勻布局，3個手指安裝于由絲杠伺服系統(tǒng)驅(qū)動的移動基座上，通過移動基座平動及各捕獲手指背部導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的約束來實現(xiàn)3個捕獲手指的聯(lián)動，進(jìn)而完成對接過程中的三指展開和收攏。整個對接機(jī)構(gòu)只具有一個主動自由度，這種機(jī)構(gòu)設(shè)計形式既能通過控制絲杠拉力控制整個系統(tǒng)的連接剛度，又可保證整個抓捕機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)緊湊。

小型空間對接機(jī)構(gòu)中的3套捕獲手共同集成在統(tǒng)一的圓形基座平臺上，并隨著基座平臺實現(xiàn)整體平動。對接機(jī)構(gòu)中的每個捕獲手均由上臂、外臂、內(nèi)桿、機(jī)架等組成，其中上臂和外臂為主承力構(gòu)件，內(nèi)桿主要用于運動約束，4個桿件通過運動鉸鏈形成四連桿機(jī)構(gòu)。對接機(jī)構(gòu)單個手指的整體機(jī)構(gòu)如圖3所示。

圖2 主動抓捕機(jī)構(gòu)Fig.2 Active capture mechanism

圖3 四連桿式捕獲手Fig.3 4-link capture claw

單個手指運動包括：①手指張開。對接初始階段，上臂的滾輪導(dǎo)向槽受導(dǎo)向滾輪約束，四連桿機(jī)構(gòu)在基座平臺的帶動下沿移動導(dǎo)向支承實現(xiàn)伸長運動；當(dāng)上臂的滾輪導(dǎo)向槽脫離導(dǎo)向滾輪約束時，四連桿機(jī)構(gòu)在鉸鏈扭簧的作用下展開，張開角度范圍由限位擋片確定。②手指收攏。四連桿機(jī)構(gòu)在基座平臺的帶動下沿移動導(dǎo)向支承實現(xiàn)收縮運動，使上臂的滾輪導(dǎo)向槽進(jìn)入導(dǎo)向滾輪的約束范圍，并隨著基座平臺的運動逐漸收攏，基座平臺運動行程由對接平面的壓力傳感器閾值確定。

為使整個機(jī)構(gòu)具有較大捕獲容差，手指采用非平行四桿機(jī)構(gòu)，設(shè)計以捕獲包絡(luò)半徑為依據(jù)，根據(jù)運動關(guān)系可得出捕獲半徑R可近似計算如式(1)：

其中：Rd為基座半徑(mm)；Rb為外臂長度(mm)；α為外臂張開角度(°)。為防止四連桿機(jī)構(gòu)收攏時產(chǎn)生運動過盈而導(dǎo)致整個機(jī)構(gòu)受到破壞，在上臂下部增加限位觸動開關(guān)及機(jī)械運動限位。

3.3 被動適配器

被動調(diào)整機(jī)構(gòu)包括輔助定位的三瓣殼體以及與主動抓捕機(jī)構(gòu)相對應(yīng)的機(jī)電液接口連接器。被動適配器隨受服務(wù)航天器發(fā)射，集成在航天器的主結(jié)構(gòu)設(shè)計中，并在適配器上預(yù)先設(shè)計有開展在軌服務(wù)所需的機(jī)電液氣接口通路。為配合三指式主動抓捕機(jī)構(gòu)完成受服務(wù)航天器的捕獲及相對位姿偏差校正，對接機(jī)構(gòu)被動適配器部分采用V型三瓣式結(jié)構(gòu)，在提供較大滾動向姿態(tài)容差的同時，通過三點接觸方式消除滾動姿態(tài)偏差及橫向位置偏差。為了保證主動捕獲機(jī)構(gòu)捕獲手指對被動適配器的可靠抓捕拖動，在被動適配器的V型槽底部設(shè)計有與捕獲手指配合的手指扣，被動適配器整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。為消除對接過程中的對接沖擊并實現(xiàn)對接面預(yù)緊力的動態(tài)監(jiān)測，對接機(jī)構(gòu)被動適配器對接面上設(shè)計有與線性阻尼緩沖器相配合的倒錐孔及與壓力傳感器相配合的結(jié)構(gòu)凸臺；此外，被動適配器對接面上還設(shè)計有用于支持在軌服務(wù)的電氣接口及工質(zhì)傳輸通道接口。

圖4 被動適配器結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of the passive adapter

3.4 阻尼緩沖器

為避免航天器對接過程中發(fā)生器間剛性碰撞沖擊，同時在航天器分離時提供器間分離力，在主動機(jī)構(gòu)的對接面上設(shè)計了用于能量耗散的阻尼緩沖器。阻尼緩沖器主要由頂桿、彈簧、殼體等組成，3套阻尼緩沖器呈三角形分布在主動機(jī)構(gòu)的對接面上，相互間協(xié)調(diào)工作，其結(jié)構(gòu)形式如圖5所示。

圖5 阻尼緩沖器結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of the damp bumper

4 仿真驗證

4.1 仿真設(shè)置

為驗證設(shè)計的空間小型對接機(jī)構(gòu)捕獲容差是否符合指標(biāo)及該機(jī)構(gòu)對接過程中是否存在碰撞、沖擊、回彈現(xiàn)象，本文利用Adams多體動力學(xué)仿真軟件建立對接機(jī)構(gòu)動力學(xué)仿真模型，如圖6所示。仿真模型的初始對接容差按表1所示，按對接機(jī)構(gòu)設(shè)計的最大允許容差指標(biāo)設(shè)定，模型中對接航天器的質(zhì)量特性參照某任務(wù)中航天器質(zhì)量特性設(shè)定(表2)。

圖6 對接機(jī)構(gòu)仿真模型Fig.6 Simulation model of the docking mechanism

表2 航天器質(zhì)量參數(shù)Table 2 Quality parameters of the spacecraft

為真實反映機(jī)構(gòu)對接過程中的動力學(xué)特性，在建立對接機(jī)構(gòu)幾何特征、對接約束條件等的基礎(chǔ)上，定義對接機(jī)構(gòu)接觸、摩擦等非線性特性。其中，捕獲爪與對接機(jī)構(gòu)被動部分之間根據(jù)真實材料特性設(shè)置摩擦參數(shù)，建立接觸約束；緩沖桿與對接機(jī)構(gòu)被動部分在對接過程中的接觸碰撞采用式(2)所示Hertz沖擊函數(shù)模型描述：

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

4.2 對接過程仿真

根據(jù)建立的仿真模型，仿真過程(50 s)中所得主動服務(wù)航天器與被動受服務(wù)航天器間的相對距離隨時間變化曲線如圖7中所示，主被動航天器相對姿態(tài)變化曲線如圖8所示。

圖7 捕獲距離變化曲線Fig.7 Curve of the capture distance

圖8 航天器相對姿態(tài)曲線Fig.8 Relative pose curves of the spacecraft

4.3 對接過程分析

從圖8可以看出，在給定的初始捕獲容差下，主動機(jī)構(gòu)可以實現(xiàn)對被動適配器的捕獲對接，表明對接機(jī)構(gòu)主要設(shè)計參數(shù)及指標(biāo)滿足設(shè)計要求。為便于對機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，進(jìn)一步對對接機(jī)構(gòu)仿真過程中的力學(xué)特性進(jìn)行分析。從圖7中可看出，對接機(jī)構(gòu)的整個對接過程可劃分為5個階段：

1)自由對接階段(AB段)。主動機(jī)構(gòu)的捕獲爪開始合攏，兩器無直接力相互作用，兩器間的距離不發(fā)生變化。

2)加速接近階段(BC段)。捕獲爪夾緊被動適配器花瓣后建立器間軟連接，捕獲爪在絲杠驅(qū)動下以恒定速度收攏，捕獲爪與瓣殼間的受力以滑動摩擦力為主，如圖9、10所示。

圖9 捕獲爪夾緊力曲線Fig.9 Clamp force curves of the claw

圖10 手指摩擦力曲線Fig.10 Friction force curves of the claw

3)穩(wěn)定接近階段(CD段)。到達(dá)C點時器間相對接近速度與捕獲爪收攏速度一致，被動航天器與捕獲爪相對靜止，并以恒定速度靠近，滑動摩擦力為0，如圖10所示。

4)波動調(diào)整階段(DE段)。瓣殼接觸到緩沖器頂端，受到緩沖器中彈簧支撐作用反彈；而捕獲爪仍以恒定速度收攏，捕獲爪與被動航天器間的相對滑動產(chǎn)生滑動摩擦力并導(dǎo)致被動航天器反復(fù)壓縮緩沖器，主被動航天器相對距離出現(xiàn)振蕩，如圖10、11所示。

5)剛性連接階段(從E點到距離為0處)。捕獲爪運動至手指槽，器間剛性連接建立；被動飛行器在緩沖器與捕獲爪的合力作用下以恒定速度接近主動飛行器直至對接結(jié)束。

圖11 緩沖器緩沖力曲線Fig.11 Buffering force curves of the damp bumper

從對接仿真過程中可以看出，航天器間相對位置振蕩主要發(fā)生在波動調(diào)整段，振蕩反映的是阻尼緩沖器能量耗散的主要過程。在這段過程中對接機(jī)構(gòu)被動部分對接面與緩沖桿開始作用，但是捕獲爪指并未收回到對接機(jī)構(gòu)被動部分的配合卡槽處，被動航天器在受到緩沖器作用下不斷地小幅反彈，通過捕獲爪與瓣殼間的滑動摩擦不斷耗能，對接過程中的能量耗散曲線如圖12所示，耗散能量約占電機(jī)輸入能力的0.5%，超過99%的電機(jī)輸入能量被緩沖器以彈簧勢能形式吸收。

圖12 對接機(jī)構(gòu)能量耗散曲線Fig.12 Energy dissipation curves of docking mechanism

忽略對接過程結(jié)束時仿真軟件計算結(jié)果發(fā)散，從仿真結(jié)果中可以明確看出，單個緩沖阻尼器的最大緩沖行程為80 mm，未達(dá)到桿可用緩沖行程的最大范圍，具備一定的緩沖行程余量，單個緩沖阻尼器的最大緩沖吸能約為23 J，整個對接仿真過程運動平穩(wěn)，未出現(xiàn)沖擊碰撞與回彈現(xiàn)象。

5 結(jié)論

1)設(shè)計了可用于在軌服務(wù)的三爪式輕小型無人對接機(jī)構(gòu)，可在對接過程中同步建立航天器間的機(jī)、電、氣、液傳輸通道，對接機(jī)構(gòu)工作過程與在軌服務(wù)任務(wù)流程保持一致。

2)經(jīng)仿真驗證對接機(jī)構(gòu)軸向位置捕獲容差達(dá)150 mm，線速度容差為30 mm/s；徑向位置捕獲容差為50 mm，線速度容差為10 mm/s；三向姿態(tài)容差為4°，角速度容差為0.1°/s。

3)經(jīng)仿真驗證對接機(jī)構(gòu)中設(shè)計的阻尼緩沖器能夠有效消除對接過程中可能出現(xiàn)的沖擊與回彈現(xiàn)象，并可儲存超過99%的系統(tǒng)能量，整個對接機(jī)構(gòu)具有較好的能量耗散特性。