一種新型空間對接抓捕機構的設計與分析

原永亮，楊 臻，邱 楓

（1.中航光電科技股份有限公司，洛陽 471000；2.中北大學 機電工程學院，太原 030051）

一種新型空間對接抓捕機構的設計與分析

原永亮1，楊 臻2，邱 楓2

（1.中航光電科技股份有限公司，洛陽 471000；2.中北大學 機電工程學院，太原 030051）

文章設計一種新型抓捕機構，不僅具有結構簡單、末端速度可控等優點，而且可減小兩衛星抓捕過程中產生的碰撞力。基于抓捕機構的工作原理，使用CATIA軟件建立了三維模型，并運用ADAMS仿真軟件進行仿真分析，得到其運動規律和動力學曲線；使用ABAQUS有限元軟件對抓捕機構中的軟軸進行受力分析。仿真與有限元分析結果表明：與美國ASDS-Ⅱ相比，該機構的角度容差更大，更容易實現對衛星的捕獲。

空間對接；抓捕機構；ADAMS軟件；ABAQUS軟件

0　引言

空間交會對接時，需使用導航和測試系統獲取空間飛行器的高精度位置和速度信息［1］，以實現理想的對接效果。國內外學者在這方面做了許多研究。美國在空間交會對接方面取得了最新成果，其ASDS-Ⅱ交會對接產品采用軟軸柔性對接技術，它比AMDS對接機構有更多優勢。

本文在調研的基礎上設計一種軟軸旋轉式抓捕機構，并使用 ADAMS動力學仿真軟件以及ABAQUS有限元分析軟件進行深入分析，以掌握機構的運動規律和受力情況。仿真與有限元分析結果可對以后的改進優化和工程設計提供參考。

1　抓捕機構的設計

1.1工作原理

飛行器的抓捕過程如圖1所示。當目標飛行器在捕獲范圍內，控制系統發出延伸指令，在主電機的驅動下，抓捕機構的軟軸開始快速前伸；在距離目標飛行器1 m時，軟軸減速至0.1 m/s并緩慢地插入對接機構的中心錐；當軟軸伸至鎖定位置之后，輔助電機開始工作，使軟軸旋轉60°，然后軟軸前段與凸輪配合，使凸輪再旋轉3°，完成鎖緊；之后，主電機開始反轉，將軟軸和目標飛行器回收，完成抓捕工作。

圖1　抓捕機構工作原理Fig.1　The working principle of the capture

1.2軟軸的設計

為了保證抓捕后的可靠鎖緊，軟軸式對接抓捕機構采用了軟軸與凸輪鎖相配合的鎖緊方式，而軟軸和凸輪鎖的合理設計是本方案的技術難點。

軟軸的前段是柔性體，后段是剛性體。在回收過程中，軟軸后段的剛性軸可以對飛行器的姿態起到一定的限位作用。因此，通過剛性體和柔性體的組合，既能有效解決2個飛行器之間位置和角度的容差問題，又能有助于抓捕收回過程的穩定性。軟軸的結構和主要尺寸如圖2所示。

圖2　軟軸的尺寸Fig.2　The size of the soft shaft

1.3 凸輪鎖的設計

軟軸緩慢地伸入飛行器的中心錐之后，軟軸前段的球面與凸輪鎖配合，進而將軟軸鎖緊。因此，可靠的鎖緊是保證飛行器在回收過程中不脫出的關鍵因素。凸輪鎖的結構與尺寸設計如圖3所示。

圖3　凸輪鎖的結構與尺寸Fig.3　The structure and sizes of the CAM lock

2　ADAMS動力學仿真

在完成結構設計之后，為了掌握其工作運動規律和軟軸的受力情況，需要開展動力學仿真。

動力學仿真的初始條件：

1）服務飛行器質量2850 kg；

2）目標飛行器質量2000 kg；

3）2個飛行器相對位置容差≤100mm；

4）2個飛行器相對角度容差≤15°；

5）2個飛行器相對靜止。

2.1模型簡化與基本假設

影響對接抓捕過程的因素很多，為了簡化對接抓捕過程，需作如下假設：

1）ADAMS動力學模型按照實際的運動規律添加約束，其模型不考慮各種誤差；

2）除了軟軸前段的柔性體部分有變形外，其余零部件均作為剛體處理。

2.2 建立動力學模型

利用CATIA軟件對對接抓捕機構進行三維建模。然后將模型經過文件類型的轉換，導入到ADAMS仿真軟件中。根據機構在實際工作中的情況，添加材料的材質和約束，并設置變量參數，最后完成動力學仿真模型的建立。

2.3 仿真分析

工作在太空中的飛行器即使受到微小的力，也會產生較大的位移。因此，2個飛行器的接觸力和位移將是我們最關心的數據。軟軸在不同速度下的接觸力和位移如表1所示。

表1　軟軸在不同速度下的接觸力和位移Table 1　The contact force and displacement of the soft shaft at different speeds

該抓捕機構主要是利用速度差來完成抓捕的。由表1可以看出，當速度偏小時，位移反而增大，這說明不利于實施抓捕操作；隨著速度的增加，接觸力隨之增大，位移反而減小，有助于完成抓捕；若速度繼續增加，不僅接觸力增大，而且位移也增大，這就不利于抓捕。經過比較，本文最終決定采用100mm/s的速度進行抓捕。

經仿真分析，鎖緊前軟軸與中心錐的接觸力見圖4，鎖緊過程中目標飛行器的位移變化見圖5。

圖4　鎖緊前軟軸與中心錐的接觸力Fig.4　Contact force between the soft shaftand the centre cone before locking

圖5　鎖緊過程中目標飛行器的位移變化Fig.5　The displacement change of the target vehicle during locking

由圖4可以得出，在100mm/s的速度下，鎖緊前軟軸與中心錐的接觸力在160 N左右，目標飛行器向后運動3mm。由圖5可以得出，在軟軸旋轉60°鎖緊時，目標飛行器的最大位移為26mm。經過矩陣轉化計算，目標飛行器沿軸向旋轉了2.7°。

3　ABAQUS有限元分析

在軟軸伸出和回收的過程中，飛行器都存在一定的振顫。由于軟軸的前段是柔性體，為了確保軟軸能伸入中心錐完成抓捕和回收，故對軟軸前段的柔性體進行受力分析。

3.1模型的導入

將CATIA建好的模型導入ABAQUS中，其中數據轉換方法如下：

1）ABAQUS的6.12版本可以直接打開CATIA文件；

2）通過使用通用格式igs/stp來完成數據的轉換。

3.2模態分析

軟軸的材料為鈦合金，其密度為4.4×103kg/m3，彈性模量為110 GPa，泊松比為0.3。模態分析了比較典型的軟軸前10階振型圖，其中選取第8、9階（如圖6和圖7所示）進行比對。在第9階模態下的位移如圖8所示。

圖6　第8階振型圖Fig.6　The eighth order vibration mode

圖7　第9階振型圖Fig.7　The ninth order vibration mode

圖8　第9階模態下位移Fig.8　The displacement of the ninth order mode

4　結束語

本機構與ASDS-Ⅱ相比，具有以下特點：

1）該機構的軟軸旋轉60°之后與凸輪鎖配合鎖緊，在此過程中，目標飛行器也會有2.7°的轉動。因此，該機構的角度容差比ASDS-Ⅱ大，更容易實現對目標飛行器的抓捕。

2）ASDS-Ⅱ抓捕時需要檢測接觸球面上的壓力，為此需要在球面上布置傳感器，因而傳感器的選型和安裝都具有一定難度；而本機構在檢測方面更簡單、更容易實現。

3）通過ADAMS軟件和ABAQUS軟件的仿真與分析，進一步驗證了機構抓捕的可靠性。

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［1］陽仁貴， 袁運斌， 歐吉坤.相位實時差分技術應用于飛行器交會對接研究［J］.中國科學： 物理學 力學 天文學， 2010， 40（5）： 651-657 Yang Rengui，YuanYunbin， Ou Jikun.Phase difference technique is applied to real-time spacecraft rendezvous and docking study［J］.Chinese Science： Physics，Mechanics， Astronomy， 2010， 40（5）： 651-657

［2］Motaghedi P， Stamm S.6 DOF testing of the Orbital Express capture system［J］.SPIE， 2005， 5799： 66-81

［3］原永亮， 楊臻， 王圣輝， 等.輪系在翻轉機構中的應用與分析［J］.包裝工程， 2014， 35（17）： 86-90 Yuan Yongliang， Yang Zhen， Wang Shenghui， et al.Gear train in the application of reverse institutions and analysis［J］.Packaging Engineering， 2014， 35（17）： 86-90

［4］Hays A， Tchoryk P， Pavlich J， et al.Dynamic simulation and validation of a satellite docking system［C］//SPIE AeroSense.Orlando， FL， 2003-04-21

［5］袁安福， 陳俊.ANSYS在模態分析中的應用［J］.中國制造業信息化， 2007， 36（11）： 42-44 Yuan Anfu， Chen Jun.ANSYS in the application of modal analysis［J］.China's Manufacturing Industry Informatization， 2007， 36（11）： 42-44

［6］王曉雪.非合作目標對接捕獲機構的研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學， 2009： 20-26

（編輯：肖福根）

Design and analysis of a new capture mechanism for space docking

Yuan Yongliang1， Yang Zhen2， Qiu Feng2
（1.CNAC photoelectric Polytron Technologies Inc， Luoyang 471000， China；2.Mechanical and Electronic Engineering College， North University of China， Taiyuan 030051， China）

This paper presents the design of a new type of docking mechanism， with advantages of simple structure， capability of end speed control， simultaneous reduction of the impact forces of two satellites during their adsorption union.First， the principle of the docking mechanism is discussed.And then， a three-dimension model is established by using the CATIA software and it is analyzed using the ADAMS software to obtain the motion pattern and the dynamic curve.At last， the force with the flexible shaft in the catching mechanism is analyzed using the ABAQUS finite element software.Simulation results show that the angle allowance of the new capture mechanism is better than the ASDS-Ⅱ， thus the satellite docking may be implemented more easily.

space docking； capture mechanism； ADAMS software； ABAQUS software

V476

A

1673-1379（2015）06-0626-04

10.3969/j.issn.1673-1379.2015.06.011

原永亮（1989—），男，碩士學位，主要從事結構設計與仿真技術的研究。E-mail：yuan-yong-liang@163.com。

2015-05-14；

2015-07-14