空間站轉(zhuǎn)位組建方案研究

沈曉鵬，劉 艷，胡雪平，耿海峰，魏 智，陳寶東，2

(1.上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海201109；2.上海市空間飛行器機(jī)構(gòu)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201109)

空間站轉(zhuǎn)位組建方案研究

沈曉鵬1，劉 艷1，胡雪平1，耿海峰1，魏 智1，陳寶東1，2

(1.上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海201109；2.上海市空間飛行器機(jī)構(gòu)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201109)

研究了國外空間站轉(zhuǎn)位組建和機(jī)械臂操作組建兩種方案。根據(jù)我國空間站任務(wù)和T字基本構(gòu)型，提出了空間站組建的翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)位和平面轉(zhuǎn)位的兩種方案。從基本組成與功能、安裝布局和工作過程方面進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)，并對兩種方案進(jìn)行了分析對比，對比結(jié)果表明兩種方案各有優(yōu)劣，翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)位方案優(yōu)勢明顯。研究結(jié)果可為空間站工程總體確定我國空間站組建方案提供參考。

空間站；機(jī)械臂；轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)；翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)位；平面轉(zhuǎn)位

1 引言

我國載人航天工程計(jì)劃在2020年前后建成和運(yùn)營近地空間站，獨(dú)立掌握近地空間站長期載人飛行技術(shù)，具備長期開展近地空間有人參與科學(xué)技術(shù)實(shí)驗(yàn)和綜合開發(fā)利用太空資源能力[1]，由于我國與美國和俄羅斯相比，在技術(shù)基礎(chǔ)、研發(fā)經(jīng)驗(yàn)、研發(fā)保障等方面都存在很大差距，因此需要開展與國情相適應(yīng)的空間站組建方案研究。

本文根據(jù)我國空間站工程任務(wù)，借鑒國外組建經(jīng)驗(yàn)，在我國航天技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出兩種可用于我國空間站組建的轉(zhuǎn)位方案，從多方面對兩種方案進(jìn)行了對比研究。

2 國外空間站組建方案

空間站按結(jié)構(gòu)構(gòu)型可分為單模塊艙段式和多模塊組合式(或稱為積木式)兩大類，長久性空間站采用的為多模塊組合式空間站。由于火箭運(yùn)載能力及尺寸包絡(luò)的限制，多模塊空間站組建通常采用艙段在軌組裝建造而成。根據(jù)組建工具的不同，多模塊空間站的組建有轉(zhuǎn)位組建和機(jī)械臂組建兩種方案[2]。

2.1 轉(zhuǎn)位組建方案

轉(zhuǎn)位組建適用于“十”字構(gòu)型空間站的建造，俄羅斯和平號空間站采用此種組建方案。和平號空間站具有六個(gè)對接口，五個(gè)口集中在對接艙段上。對接艙段結(jié)構(gòu)密度很高，可以實(shí)現(xiàn)軸向和側(cè)向?qū)?。所有與和平號組裝的艙段必須首先與對接艙段實(shí)現(xiàn)軸向?qū)?，然后通過轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)移動到側(cè)向?qū)涌趯?shí)現(xiàn)對接[3]。

轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)是在組裝艙段頭部裝有操作臂，它可以繞固定軸轉(zhuǎn)動，臂端有一個(gè)捕獲機(jī)構(gòu)，對應(yīng)這個(gè)捕獲機(jī)構(gòu)的是一個(gè)與之匹配的旋轉(zhuǎn)座。旋轉(zhuǎn)座安裝在節(jié)點(diǎn)艙上。和平號空間站實(shí)現(xiàn)側(cè)向?qū)拥倪^程如下[3]：

1)航天器首先與節(jié)點(diǎn)艙前端實(shí)現(xiàn)軸向?qū)樱?)操作臂與旋轉(zhuǎn)座實(shí)現(xiàn)連接；

3)操作臂轉(zhuǎn)動航天器到側(cè)向，并對準(zhǔn)側(cè)向?qū)涌冢?/p>

4)對接機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)側(cè)向?qū)印?/p>

2.2 機(jī)械臂操作組建方案

機(jī)械臂操作組建方案是利用空間機(jī)械臂直接捕獲、抓取艙體到側(cè)向?qū)涌谌缓筮M(jìn)行對接。它實(shí)際上是先實(shí)現(xiàn)空間交會，將需要對接的航天器停泊在空間站附近的預(yù)定位置(與空間站相對距離不變，相對速度為零)，然后由空間站移動運(yùn)輸服務(wù)中心的機(jī)械臂伸出去抓獲，通過操作機(jī)械臂，緩慢縮短兩者之間的相對距離，直至兩者的對接機(jī)構(gòu)捕獲成功。這樣就避免交會對接過程中與空間站劇烈碰撞現(xiàn)象發(fā)生，碰撞力與軸向硬對接相比降低2～3個(gè)數(shù)量級。但是進(jìn)行對接的艙體需要向空間站附近預(yù)定地點(diǎn)停泊，而且停泊時(shí)需要高精度保持相對位置和姿態(tài)穩(wěn)定，存在控制困難問題。側(cè)向捕獲和連接需要通用停靠機(jī)構(gòu)(CBM)來實(shí)現(xiàn)[4-5]。

3 我國空間站組建方案

規(guī)劃中的我國空間站包括核心艙、實(shí)驗(yàn)艙Ⅰ和實(shí)驗(yàn)艙Ⅱ。空間站采用水平對稱T形構(gòu)型作為空間站三艙組合體基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所有艙段均位于組合體當(dāng)?shù)厮矫鎯?nèi)。核心艙前端設(shè)置節(jié)點(diǎn)艙，節(jié)點(diǎn)艙前端用于載人飛船對接，節(jié)點(diǎn)艙左右停泊口用于實(shí)驗(yàn)艙I和實(shí)驗(yàn)艙II停泊。核心艙后端用于貨運(yùn)飛船對接?？臻g站基本構(gòu)型如圖1所示[6]。

圖1 我國空間站基本構(gòu)型Fig·1 Basic configuration of the Chinese space station

機(jī)械臂操作組建方案在艙段位置和姿態(tài)控制方面對制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制(GNC)系統(tǒng)要求非常高，同時(shí)機(jī)械臂系統(tǒng)本身能耗高，可靠度要求高，且組建過程需要CBM的配合；而采用轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)組建，有著結(jié)構(gòu)緊湊、控制簡單、可靠度高、經(jīng)濟(jì)性好的優(yōu)點(diǎn)，可充分利用國內(nèi)空間機(jī)構(gòu)研究及應(yīng)用成果。同時(shí)我國空間站基本的T字構(gòu)型與和平號“十”字構(gòu)型類似，可借鑒其組建方案和空間應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。因此，我國空間站發(fā)展初期，采用轉(zhuǎn)位方案來組建較為經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)妥，這是與載人航天技術(shù)的發(fā)展相適應(yīng)的。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)艙質(zhì)心運(yùn)動軌跡的不同，可以將轉(zhuǎn)位方案分為翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)位組建方案和平面轉(zhuǎn)位組建方案。

3.1 翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)位組建方案

翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)位組建方案與和平號組建方案[3]類似。方案采用的是兩個(gè)自由度轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)，通過兩回轉(zhuǎn)軸線垂直的關(guān)節(jié)(轉(zhuǎn)臂關(guān)節(jié)和轉(zhuǎn)位關(guān)節(jié))交替動作實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)艙轉(zhuǎn)位。

1)基本組成和功能

翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)包括基座和轉(zhuǎn)臂兩部分，兩部分均由機(jī)構(gòu)、控制和溫控三單元組成，具體組成見圖2。控制單元均由傳感器、控制驅(qū)動器和控制軟件組成?？販貑卧蔁崦綦娮琛峥囟鄬雍图訜崞M成。轉(zhuǎn)臂的鎖緊釋放機(jī)構(gòu)用于在上升段將轉(zhuǎn)臂固定于艙體上；捕獲連接機(jī)構(gòu)用于與基座捕獲、連接和釋放；轉(zhuǎn)臂和轉(zhuǎn)位驅(qū)動機(jī)構(gòu)用于驅(qū)動轉(zhuǎn)臂關(guān)節(jié)和轉(zhuǎn)位關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動。

正常情況下基座與轉(zhuǎn)臂配合完成動作，在轉(zhuǎn)臂的捕獲連接機(jī)構(gòu)無法完成釋放動作時(shí)，基座的驅(qū)動機(jī)構(gòu)驅(qū)動解鎖機(jī)構(gòu)進(jìn)行解鎖。

圖2 翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的組成Fig·2 Composition of tilt-transfer manipulator arm

2)安裝布局

核心艙先于實(shí)驗(yàn)艙發(fā)射，且轉(zhuǎn)臂作為主動動作的機(jī)構(gòu)，為提高轉(zhuǎn)位任務(wù)的可靠性，兩套基座安裝在節(jié)點(diǎn)艙上，轉(zhuǎn)臂安裝在實(shí)驗(yàn)艙上。實(shí)驗(yàn)艙前端安裝有主動對接機(jī)構(gòu)，核心艙軸向口和停泊口安裝有被動對接機(jī)構(gòu)，翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)總體布局如圖3所示。

圖3 翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)布局Fig·3 Layout of tilt-transfer manipulator arm

翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的基座在節(jié)點(diǎn)艙上的安裝面圓心O和軸向?qū)涌趫A心O1以及相鄰兩停泊口圓心O2、O3形成正三棱錐。因此轉(zhuǎn)臂從軸向可以向兩個(gè)方向轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)艙段從軸向至側(cè)向或徑向的相鄰兩個(gè)停泊口轉(zhuǎn)位，如圖4所示。

3)工作過程

圖4 翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)基座軸線Fig·4 Base axis of tilt-transfer manipulator arm

翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)位過程始于實(shí)驗(yàn)艙主動對接機(jī)構(gòu)的對接鎖解鎖，轉(zhuǎn)位主要有以下四個(gè)過程，如圖5所示。從轉(zhuǎn)位過程可以看出，由于安裝點(diǎn)形成的正三棱錐特性，實(shí)驗(yàn)艙轉(zhuǎn)位前后艙體會相對于自身軸線轉(zhuǎn)動90°。

圖5 翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)工作過程Fig·5 Working process of tilt-transfer manipulator arm

3.2 平面轉(zhuǎn)位組建方案

平面轉(zhuǎn)位組建方案是基于翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)位方案，兼顧考慮實(shí)驗(yàn)艙轉(zhuǎn)位任務(wù)需求而提出，方案是采用兩自由度的轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)，通過兩回轉(zhuǎn)軸線平行的關(guān)節(jié)(肩關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié))動作實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)艙轉(zhuǎn)位。

1)基本組成和功能

平面轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)與翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)基本組成相同，包括基座和轉(zhuǎn)臂兩部分，兩部分均由機(jī)構(gòu)、控制和溫控三單元組成，各單元功能與翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)基本相同，見圖6。兩方案主要不同之處是兩個(gè)垂直安裝的轉(zhuǎn)臂和轉(zhuǎn)位驅(qū)動機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€(gè)平行安裝的肩關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)驅(qū)動機(jī)構(gòu)。由于平面轉(zhuǎn)位前后轉(zhuǎn)臂處于實(shí)驗(yàn)艙兩側(cè)，因此組成中增加?？恐Ъ苡糜谵D(zhuǎn)位后轉(zhuǎn)臂停靠。

圖6 平面轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的組成Fig·6 Composition of plane-transfer manipulator arm

2)安裝布局

與翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)位方案相同，為提高轉(zhuǎn)位任務(wù)的可靠性，平面轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的一套轉(zhuǎn)臂安裝在實(shí)驗(yàn)艙上，二套基座安裝在節(jié)點(diǎn)艙上。實(shí)驗(yàn)艙前端安裝有主動對接機(jī)構(gòu)，核心艙軸向口和停泊口安裝有被動對接機(jī)構(gòu)，布局如圖7所示。

圖7 平面轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)布局Fig·7 Layout of plane-transfer manipulator arm

為了實(shí)現(xiàn)平面內(nèi)轉(zhuǎn)位功能，轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)基座軸線位于水平面內(nèi)，兩基座呈對稱布置，如圖8所示。由于基座軸線的布局，轉(zhuǎn)臂僅可以從軸向?qū)涌谵D(zhuǎn)位至對應(yīng)的停泊口。

3)工作過程

平面轉(zhuǎn)位過程始于實(shí)驗(yàn)艙主動對接機(jī)構(gòu)的對接鎖解鎖，轉(zhuǎn)位主要過程如圖9所示。從平面轉(zhuǎn)位過程可以看出，與翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)位不同，實(shí)驗(yàn)艙轉(zhuǎn)位前后艙體相對于自身軸線不會發(fā)生轉(zhuǎn)動。

圖8 平面轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)基座軸線Fig·8 Base axis of plane-transfer manipulator arm

圖9 平面轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)工作過程Fig·9 Working process of plane-transfer manipulator arm

4 轉(zhuǎn)位組建方案對比

翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)位組建方案和平面轉(zhuǎn)位組建方案組成和工作過程基本相同，均能實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)艙由節(jié)點(diǎn)艙軸向轉(zhuǎn)位至側(cè)向。但兩種方案主要在以下幾方面存在差異：

1)空間應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)及技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)

翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)位組建方案與俄羅斯和平號空間站組裝方案類似，和平號空間站組建方案已成功應(yīng)用。同時(shí)翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)位方案在國內(nèi)已開展了相關(guān)研究，有一定的技術(shù)基礎(chǔ)[2，7]。

平面轉(zhuǎn)位組建方案屬于全新方案，國內(nèi)外均無空間應(yīng)用經(jīng)歷。方案的借鑒性和成熟度較低，工程研制存在較高的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

2)任務(wù)適應(yīng)性

翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)位組建方案通過節(jié)點(diǎn)艙上安裝的一套基座能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)驗(yàn)艙從軸向口至相鄰兩個(gè)停泊口轉(zhuǎn)位動作，即能夠?qū)崿F(xiàn)“一對二”轉(zhuǎn)位。此方案可以通過兩套基座實(shí)現(xiàn)艙體至節(jié)點(diǎn)艙四個(gè)停泊口的轉(zhuǎn)位，擴(kuò)展性強(qiáng)。

平面轉(zhuǎn)位組建方案通過節(jié)點(diǎn)艙上安裝的一套基座僅能實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)艙從軸向口至對應(yīng)停泊口的轉(zhuǎn)位動作，即只能實(shí)現(xiàn)“一對一”轉(zhuǎn)位，如節(jié)點(diǎn)艙需要停泊四個(gè)艙體則需要四套基座。

3)轉(zhuǎn)位后艙體姿態(tài)

如前所述，翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)位方案基座軸線為相鄰對接口組成正三棱錐的高，因此轉(zhuǎn)位后實(shí)驗(yàn)艙艙體相對于自身軸線轉(zhuǎn)動90°，這將會影響到實(shí)驗(yàn)艙上安裝設(shè)備的工作姿態(tài)。

平面轉(zhuǎn)位組建方案由于轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的肩關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)的軸線垂直于實(shí)驗(yàn)艙的運(yùn)動平面，轉(zhuǎn)位后實(shí)驗(yàn)艙不會相對于自身軸線發(fā)生轉(zhuǎn)動。

4)組合體控制難度

翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)位組建方案中，實(shí)驗(yàn)艙轉(zhuǎn)位過程是先上翻后轉(zhuǎn)位。實(shí)驗(yàn)艙的上翻動作使實(shí)驗(yàn)艙質(zhì)心與轉(zhuǎn)位軸距離減小。由于轉(zhuǎn)動慣量與距離的平方成正比，因此翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)位方案的實(shí)驗(yàn)艙轉(zhuǎn)動慣量較小。通過ADAMS軟件建立動力學(xué)模型，在設(shè)定關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)速為0.1°/s的條件下進(jìn)行仿真計(jì)算。轉(zhuǎn)位過程角動量計(jì)算結(jié)果見圖10，圖中實(shí)線為組合體控制力矩，虛線為角動量曲線。由圖可知轉(zhuǎn)位過程中最大角動量為2050 Nms。

圖10 翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)位實(shí)驗(yàn)艙角動量Fig·10 Cabin angular momentum of tilt-transfer scheme

平面轉(zhuǎn)位組建方案轉(zhuǎn)位前后實(shí)驗(yàn)艙質(zhì)心與轉(zhuǎn)位軸距離始終保持不變，轉(zhuǎn)位過程轉(zhuǎn)動慣量較大。在關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)速同樣為0.1°/s時(shí)，轉(zhuǎn)位過程角動量仿真結(jié)果見圖11，圖中實(shí)線為組合體控制力矩，虛線為角動量曲線，最大角動量為7200 Nms。因此，空間站組合體控制難度相對翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)位方案大。在無控的情況下，組合體姿態(tài)的變化在轉(zhuǎn)位前后將會比翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)位方案更大。

圖11 平面轉(zhuǎn)位實(shí)驗(yàn)艙角動量Fig·11 Cabin angular momentum of plane-transfer scheme

5)實(shí)驗(yàn)艙空間占用

翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)位組建方案中，轉(zhuǎn)臂在上升段是通過鎖緊釋放機(jī)構(gòu)鎖緊在實(shí)驗(yàn)艙上。轉(zhuǎn)位完成后，同樣通過鎖緊釋放機(jī)構(gòu)固定在艙體上。因此，轉(zhuǎn)臂僅占用實(shí)驗(yàn)艙一側(cè)空間。

平面轉(zhuǎn)位組建方案中，轉(zhuǎn)臂在上升段亦是通過鎖緊釋放機(jī)構(gòu)鎖緊在實(shí)驗(yàn)艙上，而轉(zhuǎn)位完成后，轉(zhuǎn)臂需通過?？恐Ъ芡？吭趯?shí)驗(yàn)艙另一側(cè)。同時(shí)平面轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的運(yùn)動為平掃運(yùn)動，運(yùn)動包絡(luò)范圍內(nèi)均不能安裝其他設(shè)備。比翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)位方案的實(shí)驗(yàn)艙占用空間更大。

6)安裝接口

翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)位組建方案的基座軸線是通過節(jié)點(diǎn)艙的球心。因此，安裝基座的座體與節(jié)點(diǎn)艙接口簡單，為圓形法蘭結(jié)構(gòu)，加工制造容易，連接強(qiáng)度易于保證。

平面轉(zhuǎn)位組建方案的基座軸線位于水平面內(nèi)且不過節(jié)點(diǎn)艙球心。因此，安裝基座的座體與節(jié)點(diǎn)艙接口為圓球圓錐相貫截面，接口復(fù)雜，制造精度和連接強(qiáng)度保證相對困難。

7)質(zhì)量、尺寸

根據(jù)安裝布局，翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)位組建方案轉(zhuǎn)臂長度約1 m，按照鋁合金材質(zhì)進(jìn)行估算，質(zhì)量約70 kg，而平面轉(zhuǎn)位組建方案轉(zhuǎn)臂長度約1.6 m，質(zhì)量估算約110 kg。由于上升段轉(zhuǎn)臂的力學(xué)載荷與質(zhì)量成正比，因此平面轉(zhuǎn)位組建方案的轉(zhuǎn)臂鎖緊釋放機(jī)構(gòu)相對于翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)位組建方案需要克服更大的軸向慣性力，載荷更惡劣，對轉(zhuǎn)臂的強(qiáng)度和剛度要求更高。

8)緩沖系統(tǒng)

翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)位組建方案的兩關(guān)節(jié)軸線垂直，因此轉(zhuǎn)位過程中兩個(gè)關(guān)節(jié)不存在動力學(xué)耦合作用。考慮到關(guān)節(jié)的彈簧阻尼作用，關(guān)節(jié)運(yùn)動可以看作是單自由度振動模型。動力學(xué)過程較為簡單，緩沖系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度低。假定關(guān)節(jié)剛度為100 Nm/°，阻尼系數(shù)為500 Nms/°。通過ADAMS動力學(xué)仿真計(jì)算得到轉(zhuǎn)位關(guān)節(jié)和轉(zhuǎn)臂關(guān)節(jié)在轉(zhuǎn)位過程中的力矩曲線，如圖12所示。通過曲線可以看出，同一時(shí)刻僅有一個(gè)關(guān)節(jié)產(chǎn)生力矩，不存在關(guān)節(jié)耦合。

圖12 翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)肩關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)力矩Fig·12 Shoulder joint and wrist joint torque of tilttransfer arm

平面轉(zhuǎn)位組建方案兩關(guān)節(jié)軸線平行，啟動以及緩沖制動時(shí)會發(fā)生關(guān)節(jié)的動力學(xué)耦合，關(guān)節(jié)運(yùn)動可簡化為兩自由度振動模型，緩沖系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度較翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)位大。同樣的剛度和阻尼，肩關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)在啟動和制動過程的力矩仿真結(jié)果見圖13。由圖可知，肩關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)在轉(zhuǎn)位過程同一時(shí)刻存在較復(fù)雜的動力學(xué)耦合。

9)地面試驗(yàn)系統(tǒng)

由翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)位方案的轉(zhuǎn)位過程可知，實(shí)驗(yàn)艙在轉(zhuǎn)位過程中質(zhì)心軌跡為空間三維曲線，質(zhì)心曲線的示意圖見圖14。在進(jìn)行轉(zhuǎn)位過程地面試驗(yàn)時(shí)，重力平衡系統(tǒng)平衡實(shí)驗(yàn)艙重量的同時(shí)，需要跟隨質(zhì)心運(yùn)動，地面試驗(yàn)系統(tǒng)復(fù)雜。平面轉(zhuǎn)位方案實(shí)驗(yàn)艙質(zhì)心軌跡為平面曲線，地面試驗(yàn)系統(tǒng)則相對簡單。

圖13 平面轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)肩關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)力矩Fig·13 Shoulder joint and wrist joint torque of planetransfer arm

圖14 翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)位實(shí)驗(yàn)艙質(zhì)心運(yùn)動軌跡Fig·14 Cabin centroid trajectory of tilt-transfer arm

通過上述對比，翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)位組建方案在空間應(yīng)用、組合體控制難度、任務(wù)適應(yīng)性和設(shè)計(jì)難度等方面均優(yōu)于平面轉(zhuǎn)位組建方案。平面轉(zhuǎn)位組建較翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)位組建方案在轉(zhuǎn)位前后艙體姿態(tài)變化和地面試驗(yàn)方面有一定優(yōu)勢。

5 結(jié)束語

本文在對國外空間站組建方案研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)我國空間站任務(wù)提出翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)位和平面轉(zhuǎn)位兩種轉(zhuǎn)位組建方案，對兩種方案從空間應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)、任務(wù)適應(yīng)性、組合體控制、設(shè)計(jì)難度和地面試驗(yàn)系統(tǒng)等方面進(jìn)行了對比，對比結(jié)果表明兩種方案各有優(yōu)劣，翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)位方案優(yōu)勢明顯?？臻g站工程總體可針對兩種方案的特點(diǎn)，結(jié)合我國空間站任務(wù)具體需求，進(jìn)行利弊權(quán)衡，選擇適宜的轉(zhuǎn)位組建方案。

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Study on Transfer Construction Scheme of Space Station

SHEN Xiaopeng1，LIU Yan1，HU Xueping1，GENG Haifeng1，WEI Zhi1，CHEN Baodong1，2
(1.Aerospace System Engineering Shanghai，Shanghai201109，China；2.Shanghai Key Laboratory of spacecraft Mechanism，Shanghai201109，China)

Construction scheme of foreign space station by transfer manipulator arm or remote manipulator system was studied in this paper.According to Chinese space station mission and basic configuration，the scheme of tilt-transfer and plane-transfer were proposed.The basic composition and function，installation layout，as well as the working process of two kinds of schemes were designed. The two kinds of schemes were analyzed and compared.Comparison results show that the two schemes have their own advantages and disadvantages.The advantage of tilt-transfer scheme is obvious.The research results can provide reference for the Chinese space station project to determine the space station transfer construction scheme.

space station；manipulator arm；transfer mechanism；tilt-transfer；plane-transfer

V423.7

A

1674-5825(2015)05-0450-06

2014-08-10；

2015-07-15

上海市科學(xué)技術(shù)委員會資助項(xiàng)目(15XD1524000)

沈曉鵬(1984-)，男，碩士，工程師，研究方向?yàn)榭臻g對接機(jī)構(gòu)。E-mail：coolsxp＠163.com