一種柔性捕獲鎖緊裝置設(shè)計(jì)及仿真分析

賀 超 吳 臣 譚 慶

（湖南國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湘潭 411207）

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)[1-5]。現(xiàn)有的空間對接捕獲和鎖緊裝置存在不能兼容多種直徑目標(biāo)衛(wèi)星法蘭、對接時(shí)沖擊較大以及鎖緊后沒有能量緩沖等問題。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，提出一種能適應(yīng)不同直徑目標(biāo)衛(wèi)星法蘭、鎖緊元器件帶有結(jié)構(gòu)簡單、動(dòng)作可靠的緩沖元件的模塊化捕獲鎖緊裝置。

1 研究背景

在現(xiàn)代科技體系中，衛(wèi)星在通信、導(dǎo)航、預(yù)警以及氣象等軍用和民用領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。隨著人類太空活動(dòng)的日益頻繁和航天科技的迅猛發(fā)展，太空中的衛(wèi)星數(shù)量迅速增多。衛(wèi)星發(fā)射后除了日常的使用和遠(yuǎn)程控制外，人類對衛(wèi)星的維修、維護(hù)以及升級等能力有待提升，存在故障衛(wèi)星難以修理、報(bào)廢衛(wèi)星難以清除、燃料耗盡的衛(wèi)星明明其他系統(tǒng)正常卻不得不報(bào)廢以及衛(wèi)星難以根據(jù)需要進(jìn)行升級擴(kuò)展等問題。衛(wèi)星具有高應(yīng)用價(jià)值，其損失和失效將會(huì)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失，故在衛(wèi)星維修維護(hù)領(lǐng)域的支撐性研發(fā)課題具有巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。未來社會(huì)的發(fā)展中，智能化等科技革命對衛(wèi)星的通信、導(dǎo)航等需求將會(huì)急劇擴(kuò)大，衛(wèi)星數(shù)量、衛(wèi)星種類也將出現(xiàn)高速增長，對應(yīng)的在軌服務(wù)系統(tǒng)的搭建與運(yùn)行將成為必然。衛(wèi)星在未來將向在軌可建造、在軌可擴(kuò)展、在軌可重構(gòu)的方向發(fā)展。因此，針對衛(wèi)星的捕捉技術(shù)將成為空間在軌服務(wù)技術(shù)開展與應(yīng)用的重要一環(huán)。

隨著航天器的研發(fā)與應(yīng)用，以及一系列航天任務(wù)的探索與實(shí)施，美國、歐洲、日本以及加拿大等國家和地區(qū)，在故障維修、維護(hù)保障、在軌裝配以及服務(wù)性設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了相關(guān)探索。目前的在軌服務(wù)通常是基于某個(gè)具體任務(wù)進(jìn)行的針對性操作，如哈勃望遠(yuǎn)鏡在軌維修、國際空間站太陽能帆板加裝以及太陽極大年使者（Solar Maximum Mission，SMM）探測器維修等。雖然尚未形成系統(tǒng)的在軌服務(wù)體系，但是積累了大量經(jīng)驗(yàn)。

目前，國內(nèi)外圍繞在軌維修、輔助變軌、衛(wèi)星延壽、在軌維修以及碎片清除等關(guān)鍵任務(wù)開展了多項(xiàng)在軌服務(wù)項(xiàng)目。作為空間在軌服務(wù)中的關(guān)鍵部分，衛(wèi)星捕獲與軌道調(diào)整系統(tǒng)發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

在國外，美國的在軌服務(wù)技術(shù)領(lǐng)域領(lǐng)先于其他各國，美國宇航局、國防高級研究計(jì)劃局以及美國空軍等，均提出了相關(guān)計(jì)劃。在可預(yù)見的未來，私人航天公司將會(huì)大規(guī)模參與在軌服務(wù)業(yè)務(wù)。美國在軌服務(wù)項(xiàng)目主要有自主交會(huì)技術(shù)驗(yàn)證衛(wèi)星、試驗(yàn)衛(wèi)星服務(wù)系統(tǒng)、軌道快車、微小衛(wèi)星技術(shù)試驗(yàn)、軌道通用軌道修正航天器、前端機(jī)器人使能近期演示驗(yàn)證、鳳凰以及詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡等。

在國內(nèi)，從21世紀(jì)初開始，在國家自然科學(xué)基金的支持下，我國對空天飛行器若干重大基礎(chǔ)問題進(jìn)行了跨學(xué)科聯(lián)合科研，同時(shí)航天試驗(yàn)系統(tǒng)和工業(yè)部門也進(jìn)行了許多嘗試。目前，有關(guān)在軌服務(wù)的技術(shù)研究還很零散，很多工作尚處于概念研究階段，對什么是航天器在軌服務(wù)、在軌服務(wù)包括哪些內(nèi)容、通過哪些途徑實(shí)現(xiàn)、發(fā)展在軌服務(wù)需要關(guān)聯(lián)到哪些技術(shù)等，都尚未有系統(tǒng)和清晰的思路，沒有上升到理論層面。學(xué)術(shù)與技術(shù)主要關(guān)注在跟蹤研究方面，沒有形成廣泛認(rèn)可的概念和技術(shù)體系。

隨著我國航天事業(yè)的不斷發(fā)展，航天探索與應(yīng)用不斷深入，在軌服務(wù)的技術(shù)體系將逐步建立。隨著工程實(shí)踐的不斷積累，借鑒國外成功經(jīng)驗(yàn)，我國在軌服務(wù)將迎來突破性發(fā)展。

2 工作原理及結(jié)構(gòu)組成

捕獲鎖緊裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，由滑動(dòng)座、小連桿、接觸板、導(dǎo)引桿、楔形塊、捕獲電機(jī)、絲杠組件、適應(yīng)電機(jī)、聯(lián)軸器、固定座、傳動(dòng)軸、內(nèi)撐手指組件、傳動(dòng)箱、彈簧連桿、剛性連桿以及下壓鎖緊組件等零部件組成。固定座是其余零部件的基礎(chǔ)安裝平臺(tái)，負(fù)責(zé)安裝各種傳感器與運(yùn)動(dòng)部件，并對部件運(yùn)動(dòng)進(jìn)行引導(dǎo)和約束。捕獲電機(jī)、適應(yīng)電機(jī)、傳動(dòng)箱通過螺釘固定安裝在固定座上。衛(wèi)星捕獲過程有若干動(dòng)作，通過對機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，成功大幅削減了電機(jī)數(shù)量。絲杠一端通過軸承套接在固定座的安裝孔內(nèi)，另一端通過軸承套接在滑動(dòng)座內(nèi)的安裝孔內(nèi)?？梢酝ㄟ^絲杠放大驅(qū)動(dòng)扭矩，實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)座整體的運(yùn)動(dòng)?；瑒?dòng)座通過T形凸起安裝在固定座的矩形槽內(nèi)，在絲杠螺母的帶動(dòng)下可沿固定座的矩形槽滑動(dòng)?；瑒?dòng)座上面的4個(gè)小連桿兩端分別與接觸板和滑動(dòng)座鉸接，接觸板用于貼合靠近衛(wèi)星法蘭，為懸空狀態(tài)，僅通過小連桿與系統(tǒng)相連。剛性連桿通過四方套接在傳動(dòng)箱的渦輪方孔內(nèi)，與渦輪形成固定關(guān)系。內(nèi)撐手指組件和下壓鎖緊組件中部通過軸承與剛性連桿鉸接，尾端通過銷軸與彈性連桿鉸接。因?yàn)椴煌ㄌm尺寸的差異，下壓鎖緊連桿的下壓動(dòng)作不能為剛性，必須為匹配不同尺寸而具備一定的柔性，所以增設(shè)了彈簧連桿，避免損壞衛(wèi)星法蘭或捕獲裝置。

圖1 結(jié)構(gòu)示意圖

工作時(shí)適應(yīng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，依次驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)軸、蝸桿、蝸輪、剛性連桿，使內(nèi)撐手指組件和下壓鎖緊連桿對準(zhǔn)目標(biāo)衛(wèi)星法蘭中心，隨后捕獲電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)絲杠帶動(dòng)絲杠螺母和滑動(dòng)座向法蘭中心移動(dòng)[6-11]。此過程中接觸板接觸到目標(biāo)衛(wèi)星后，在連桿帶動(dòng)下向下平移，將目標(biāo)衛(wèi)星法蘭下壓，直至法蘭將楔形塊后推，使法蘭位置被限制在楔形塊和固定座之間。捕獲電機(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，滑動(dòng)座接觸到內(nèi)撐手指組件后，推動(dòng)內(nèi)撐手指組件和下壓鎖緊組件逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。下壓手指組件接觸法蘭后將法蘭鎖緊在固定座上，完成對目標(biāo)衛(wèi)星的鎖緊。鎖緊后，接觸板能限制衛(wèi)星法蘭位置，避免柔性下壓鎖緊在遇到強(qiáng)烈沖擊時(shí)脫開。

3 仿真結(jié)果及分析

應(yīng)用剛體動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS建立如圖2所示的剛體動(dòng)力學(xué)仿真模型。先在固定座、捕獲電機(jī)、適應(yīng)電機(jī)與大地施加固定副，然后捕獲電機(jī)與絲杠施加固定副，適應(yīng)電機(jī)與傳動(dòng)軸施加固定副。此外，需要在絲杠螺母與滑動(dòng)座施加固定副，絲杠與絲杠螺母之間施加螺旋副。螺旋副參數(shù)根據(jù)絲杠選型確定，小連桿與滑動(dòng)座和接觸板分別施加轉(zhuǎn)動(dòng)副。楔形塊與導(dǎo)引桿施加固定副后，與固定座施加滑動(dòng)副，并在固定座與楔形塊安裝孔之間增加彈簧模型，使其具備一定的復(fù)位能力。傳動(dòng)軸與蝸桿施加固定副。蝸輪和蝸桿之間施加接觸副。蝸輪與剛性連桿之間施加固定副。內(nèi)撐手指組件和下壓鎖緊連桿組件中部與剛性連桿施加旋轉(zhuǎn)副，尾端與彈簧連桿施加旋轉(zhuǎn)副。內(nèi)撐手指組件與滑動(dòng)座施加接觸副。接觸板、內(nèi)撐手指組件、下壓鎖緊連桿組件分別與目標(biāo)衛(wèi)星法蘭施加接觸副[12-15]。各接觸副之間靜摩擦系數(shù)設(shè)定為0.1，動(dòng)摩擦系數(shù)設(shè)定為0.05。

下壓連桿鎖緊組件前端位移速度規(guī)律如圖3所示，最大位移為4.5 mm，符合下壓行程要求。結(jié)合彈簧連桿彈性，它滿足大尺寸法蘭下壓時(shí)的安全要求。最大下壓速度為21 mm·s-1，總體上下壓平滑，運(yùn)動(dòng)過程中各部件運(yùn)動(dòng)規(guī)律符合預(yù)期，不同階段動(dòng)作切換流暢，法蘭下壓到位，沒有出現(xiàn)法蘭偏轉(zhuǎn)、脫離問題，與目標(biāo)衛(wèi)星的法蘭無較大的沖擊振動(dòng)。

圖3 下壓鎖緊連桿組件前端位移速度規(guī)律

4 結(jié)語

在前人研究的基礎(chǔ)上，提出了一種使用蝸輪蝸桿驅(qū)動(dòng)剛性連桿轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)適應(yīng)不同直徑目標(biāo)衛(wèi)星法蘭使鎖緊面積最大化的方案，同時(shí)采用四連桿聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)衛(wèi)星法蘭的下壓鎖緊，結(jié)構(gòu)簡單可靠。仿真分析表明，此方案能在理論上滿足對目標(biāo)衛(wèi)星法蘭的捕獲和鎖緊，具備進(jìn)一步實(shí)施工程實(shí)踐的理論基礎(chǔ)。后續(xù)將持續(xù)優(yōu)化和改進(jìn)裝置性能和可靠性，適當(dāng)設(shè)置動(dòng)力冗余，避免長時(shí)間工作時(shí)驅(qū)動(dòng)失效，同時(shí)對接觸摩擦部件增加固體潤滑涂層，進(jìn)一步優(yōu)化動(dòng)作導(dǎo)引相關(guān)導(dǎo)引槽外形，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)平緩、沖擊輕微。此外，可以通過工程試制和樣機(jī)試驗(yàn)不斷測試、完善裝置功能。