一種寬適應(yīng)性繩爪式空間對接機(jī)構(gòu)設(shè)計

譚慶 鄧衛(wèi)華 劉耀英

摘 要：為實現(xiàn)對國際通用且尺寸不同規(guī)格衛(wèi)星的捕獲和救援，設(shè)計了一種寬適應(yīng)性繩爪式空間對接機(jī)構(gòu)，并基于ADAMS建立了動力學(xué)模型，對機(jī)構(gòu)的動態(tài)性能進(jìn)行了仿真計算研究。研究表明：目標(biāo)衛(wèi)星運動速度在150mm/s以內(nèi)時，對接機(jī)構(gòu)將目標(biāo)衛(wèi)星拉近并抱合鎖緊過程中，星箭法蘭與滑座接觸力不超過175N，沖擊力較小，不會造成機(jī)構(gòu)損傷和變形，機(jī)構(gòu)設(shè)計合理可行，具備一定的工程實用價值。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星;捕獲;繩;空間對接機(jī)構(gòu);寬適應(yīng)性;剛體動力學(xué)

中圖分類號：V423 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：

0 引言

在軌維護(hù)和維修、在軌加注、在軌功能擴(kuò)展和軟件升級等在軌服務(wù)任務(wù)日益成為我國衛(wèi)星發(fā)展的重要任務(wù)[1]?？臻g對接機(jī)構(gòu)用于實現(xiàn)兩個航天器之間的多次連接、保持連接和分離[2]。對接機(jī)構(gòu)按照布局形式分為中心布局式和周邊布局式。周邊布局式在中心保留了轉(zhuǎn)移通道，具有通用接口，是一種載人航天器上常用的對接接口。李永振[2]等提出了一種基于凸輪曲線及連桿機(jī)構(gòu)的適應(yīng)單一直徑的微信對接裝置。歐空局“碎片清理”項目成功發(fā)射“魚叉”，命中目標(biāo)衛(wèi)星并將其拖至發(fā)射平臺[3]。徐文福[4]等提出了一種空間機(jī)器人捕獲目標(biāo)的協(xié)調(diào)規(guī)劃與控制方法。目前設(shè)計的周邊布局式對接機(jī)構(gòu)，一般僅針對單一直徑目標(biāo)衛(wèi)星，通用性較差。

1工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

如圖1所示，對接機(jī)構(gòu)主要由機(jī)架，對接定位裝置，傳動裝置，導(dǎo)軌及導(dǎo)軌安裝座，抱合單元4個部分構(gòu)成。剔除六邊形框架后，整個對接機(jī)構(gòu)重量為25kg，與僅能抱合單一直徑星箭法蘭的對接機(jī)構(gòu)質(zhì)量相當(dāng)。

對接定位裝置均勻分布在直徑1500mm的圓上，用于各艙對接時的定位，兼有電器插拔接口的功能。傳動裝置用于將動力艙輸出的動力傳遞給抱合單元。導(dǎo)軌及安裝座為抱合單元的運動軌道，在圓周上120°均布。抱合單元是實現(xiàn)捕獲并抱緊法蘭，實現(xiàn)各艙之間連接和緊固的最終執(zhí)行機(jī)構(gòu)，抱合單元在導(dǎo)軌上的有效運動形成為550mm，能實現(xiàn)對國際通用的最大徑為φ959mm、φ1970mm及之間的星箭法蘭實施抱合鎖緊。

抱合單元主要由滑座、繩座、鋼絲繩、繩輪、彈簧2、阻尼器、小手指、滑座本體、彈簧導(dǎo)桿、彈簧1、絲杠、絲杠螺母1、絲杠螺母2、螺母座1、螺母座2、定位座、定位銷、彈簧3、外扣手指、連桿、拉伸彈簧1、換向齒輪、齒條、頂桿、頂桿彈簧、滾輪、內(nèi)撐手指、拉伸彈簧1、等組成。（見圖2）

（1）螺母座1、螺母座2和螺母座3與導(dǎo)軌滑塊通過螺栓固定連接;螺母座1和螺母座與絲杠螺母通過螺栓固定連接;螺母座3與滑座固定連接;

（2）彈簧2一端與滑座本體接觸，另一端與小手指接觸;通過三個繩輪的傳遞，鋼絲繩一端固定在繩座上，另一端與小手指固定連接;

（3）彈簧3一端與定位銷接觸，另一端與封蓋接觸，封蓋通過螺栓與螺母座3固定連接;

（4）定位座通過螺栓與導(dǎo)軌安裝座固定連接在預(yù)定位置;共3×4個;

（5）齒輪、縱滑本體、外扣手指、內(nèi)撐手指均通過銷軸套接在滑座上;

（6）頂桿套接在齒條的方孔內(nèi)，頂桿彈簧一端與齒條接觸，另一端與頂桿接觸;

（7）定位銷套裝在螺母座的方孔內(nèi);

（8）凸輪板、繩座、齒條安裝在滑座上的T型槽內(nèi)，可沿滑座滑動;

（10）小手指安裝在縱滑本體的圓形槽內(nèi)，可在滑座本體上滑動;

1.2動作原理

對接機(jī)構(gòu)獲取捕獲衛(wèi)星信息，確認(rèn)目標(biāo)衛(wèi)星星箭法蘭尺寸。確認(rèn)星箭法蘭距離滑座剛性支撐面35mm時，滑座及滑座上的組件在絲杠螺母1和絲杠螺母2的帶動下，運動至對應(yīng)的定位座處。傳動裝置帶動絲杠轉(zhuǎn)動，在絲杠的驅(qū)動下，絲杠螺母1和絲杠螺母2一起向飛行器尾端運動，絲杠螺母2依次帶動螺母座1、凸輪板運動，在凸輪的作用下縱滑本體及小手指繞其旋轉(zhuǎn)軸向飛行器中心轉(zhuǎn)動，將星箭法蘭進(jìn)行歸正。

絲杠螺母1和絲杠螺母2繼續(xù)向飛行器尾端運動，推動凸輪板繼續(xù)運動，與繩座接觸后推動繩座向飛行器尾端運動，通過鋼絲繩，在小手指的作用下將法蘭拉近滑座剛性支撐面，直至與安裝在滑座上的防跳銷接觸，將防跳銷壓入安裝面內(nèi)。小手指和星箭法蘭通過防跳銷所在位置后，防跳銷在復(fù)位彈簧的作用下迅速復(fù)位，此時，星箭法蘭被限制在防跳銷和滑座組成的鎖緊區(qū)域內(nèi)，在滑座位置不發(fā)生變化時，目標(biāo)衛(wèi)星與對接機(jī)構(gòu)不會發(fā)生脫離。

星箭法蘭被限制在防跳銷和滑座組成的鎖緊區(qū)域后，在傳動裝置和絲杠帶動下，絲杠螺母1和絲杠螺母2向飛行器中心運動，縱滑本體、小手指、繩座和凸輪板在拉伸彈簧1和彈簧2的作用下復(fù)位。當(dāng)絲杠螺母1和絲杠螺母2運動至起始位置時，絲杠螺母2和螺母座2開始接觸齒條，并以此帶動換向齒輪、連桿和外扣手指，使外扣手指向滑座剛性支撐面運動，將法蘭壓緊在滑座剛性支撐面上。

另一方面，齒條將通過頂桿推動內(nèi)撐手指，使內(nèi)撐手指壓緊星箭法蘭內(nèi)邊緣。致至此，完成對目標(biāo)衛(wèi)星星箭法蘭的剛性捕獲和鎖緊。

對目標(biāo)衛(wèi)星釋放時，將以上動作反向?qū)嵤┘纯伞?/p>

應(yīng)用剛體動力學(xué)仿真軟件對對接機(jī)構(gòu)抱合單元抱合鎖緊動作進(jìn)行仿真，彈簧、鋼絲繩、絲杠螺母副均采用軟件自帶的模型。固定螺釘、銷等均用固定副進(jìn)行了替代。仿真為無重力條件下進(jìn)行，各剛體接觸面摩擦系數(shù)依材料的不同設(shè)置在0.05或0.1之間不等。

3 仿真結(jié)果及分析

仿真結(jié)果如圖4、圖5、圖6所示，在1s內(nèi)，抱合單元完成了對目標(biāo)衛(wèi)星星箭法蘭的歸正，拉至鎖緊區(qū)內(nèi)，鎖緊三個預(yù)定的關(guān)鍵動作。如圖7所示，抱合鎖緊過程中星箭法蘭與滑座接觸力不超過175N，沖擊力較小，不會造成機(jī)構(gòu)損傷和變形。

如圖8所示，在對接機(jī)構(gòu)將目標(biāo)衛(wèi)星拉近并鎖緊的過程中，目標(biāo)衛(wèi)星運動速度在150mm/s內(nèi)，運動較為平穩(wěn)，未出現(xiàn)較大速度和加速度波動，目標(biāo)衛(wèi)星內(nèi)部元器件受到的沖擊力較小。

如圖9所示，在抱合鎖緊過程中，縱滑本體、外扣手指、內(nèi)撐手指等關(guān)鍵部件角速度在2250°/s（約合6.3r/min），未出現(xiàn)較大角速度和速度波動，機(jī)構(gòu)運動平穩(wěn)。

用于帶動縱滑本體對星箭法蘭實施歸正的鋼絲繩起到了一定抗沖擊，抗過載的作用。初步認(rèn)為，本文設(shè)計的空間對接機(jī)構(gòu)能較好的完成預(yù)定功能。

4 結(jié)論

在前人研究的基礎(chǔ)上，提出了一種新的寬適應(yīng)性繩爪式空間對接機(jī)構(gòu)。對構(gòu)件的對接機(jī)構(gòu)進(jìn)行了多剛體動力學(xué)分析，獲取并對比了關(guān)鍵部件的運動特性，分析認(rèn)為，該對接機(jī)構(gòu)具有質(zhì)量輕、抗過載能力強(qiáng)、能寬適應(yīng)剛性捕等優(yōu)點，具有一定的工程實用價值。

參考文獻(xiàn)：

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（1. 湖南國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 湘潭 411207;2. 湖南國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 湘潭 411207;3. 內(nèi)蒙古北方重工業(yè)集團(tuán)有限公司，內(nèi)蒙 古包頭014000）