一種模塊化可更換抓捕裝置設計

高艷慧 譚 慶 藺相飛 信義兵 萬志恒

（1.湖南國防工業職業技術學院，湘潭 411207；2.武漢高德紅外股份有限公司，武漢 430071）

在軌維護和維修、在軌加注、在軌功能擴展和軟件升級等在軌服務任務，日益成為我國衛星發展的重要任務[1-4]。空間對接機構用于實現兩個航天器之間的多次連接、保持連接和分離。捕獲鎖緊裝置是對接機構的重要組成。現有的幾種對接機構存在質量體積大、結構復雜以及驅動動力數量多等缺點[5-8]。本文在前人研究的基礎上，提出了一種體積小、質量輕、使用一個動力源的模塊化可更換捕獲鎖緊裝置。

1 工作原理

1.1 結構組成

抱合鎖緊裝置的底板與艙體面板固定連接，左右對稱的限位槽通過螺釘固定在艙體面板上。如圖1所示，抱合鎖緊裝置由蝸輪、蝸桿、蝸桿座、電機、不完全齒輪1、齒輪軸、滑動座、不完全齒輪2、錐齒輪1、擺桿、錐齒輪2、導引塊、錐齒輪3、直齒輪、抱合爪、搖擺座、固定座、彈簧阻尼器、螺母以及防跳銷等組成。

圖1 抱合鎖緊裝置結構

1.2 安裝關系

固定座、導引塊以及彈簧阻尼器通過螺釘固定安裝在艙體面板上。滑動座通過T形槽安裝在固定座上，可沿固定座的T形槽前后移動。擺桿和搖擺座通過螺釘固定連接在一起。擺桿通過安裝軸和軸承套接在滑動座的安裝孔內。擺桿的前端圓柱凸起插入導引塊的導引槽。當搖擺座隨滑座一起前后運動時，擺桿和搖擺座在導引槽的帶動下能沿安裝孔轉動。直齒輪2和直齒輪通過螺釘固定連接在一起。錐齒輪2和錐齒輪3通過安裝軸套接在搖擺座上，且相互嚙合。電機和蝸桿座通過螺釘固定安裝在滑動座上。蝸桿一端通過軸承套接在蝸桿座的安裝孔內，另一端通過聯軸器與電機主軸固定連接。齒輪軸通過軸承套接在滑動座的安裝孔內，可繞其安裝孔轉動。錐齒輪1、不完全齒輪1以及蝸輪均通過平鍵固定安裝在齒輪軸上。錐齒輪1與錐齒輪2的齒面相嚙合。不完全齒輪2通過軸承套接在滑動座的安裝孔內，且齒面與固定在固定座上的齒條相嚙合。抱合爪通過T形槽安裝在搖擺座上。抱合爪上的齒條結構與直齒輪嚙合，當直齒輪轉動時，可帶動抱合爪沿T形槽上下滑動。防跳銷套接在滑動座的方孔內，尾端與螺母固定連接。在防跳銷上套接有一截圓柱彈簧。該圓柱彈簧一端與防跳銷接觸，另一端滑動座接觸，始終有將防跳銷頂出滑動座的趨勢。該趨勢被防跳銷尾端的螺母所限制。

1.3 動作原理

工作時，電機正轉帶動蝸桿、蝸輪、不完全齒輪1以及錐齒輪1依次轉動。在蝸輪和不完全齒輪轉動51°以前，不完全齒輪1將帶動不完全齒輪2轉動。不完全齒輪2與固定座上固定的齒條相嚙合后，將帶動整個滑動座向前移動，使固定座向前運動，將法蘭姿態歸正。固定座向前移動的這一段距離，擺桿和搖擺座受到導引塊上導引槽的作用將發生小角度偏轉，使抱合爪與法蘭的正接觸面積達到最大。當蝸輪和不完全齒輪1轉動超過51°且繼續轉動時，不完全齒輪1的圓柱面與不完全齒輪2的凹面相接觸。此時，不完全齒輪1繼續轉動時不完全齒輪2將不再發生轉動。蝸桿帶動蝸輪、不完全齒輪1、錐齒輪1、錐齒輪2、錐齒輪3以及直齒輪依次轉動。直齒輪將通過抱合爪上的齒條結構帶動抱合爪向下運動，將法蘭壓緊在滑動座上。在抱合爪帶動法蘭向滑動座運動時，固定在固定座上彈簧阻尼器將對法蘭的運動進行緩沖，防止產生較大的剛性碰撞[9]。

2 仿真結果及分析

應用剛體動力學仿真軟件建立如圖2所示的剛體動力學仿真模型。彈簧采用軟件自帶的模型，對艙體面板、導引快與大地施加固定副，活動座與艙體面板施加滑動副，搖擺座與滑動座施加旋轉副，蝸輪和不完全齒輪與滑動座施加旋轉副，其余各齒輪分別與搖擺座施加旋轉副[10-12]。在無重力條件下進行仿真，兩兩接觸的零件施加接觸副，各剛體接觸面摩擦系數按材料的不同設置為0.05或0.10不等。

圖2 對接機構多剛體動力學模型

將蝸桿轉速設置為750 r·min-1，仿真結果如圖3所示。抱合爪在下壓過程中的最大速度為-51.4 mm·s-1，整體上來說速度較為平穩，不會對目標衛星造成較大擾動[13-15]。

圖3 抱合爪速度-時間曲線

搖擺座進行姿態歸正的時間為0～0.4 s，在此過程中搖擺座最大轉動角速度為40 °·s-1，速度較低且轉速無較大波動，滿足設計要求[16]。

3 結語

在前人研究的基礎上，文章提出了一種模塊化的抓捕裝置方案，裝置質量僅為1.4 kg。對方案進行簡單的剛體動力學仿真分析，結果表明方案能夠實現對空間衛星法蘭的抱合歸正和下壓鎖緊兩個功能。該裝置結構簡單，一個電機就能夠完成多個動力輸出，結構可靠，具備進行工程化的理論基礎。