一種柔性捕獲鎖緊裝置設計及仿真分析

賀 超 吳 臣 譚 慶

（湖南國防工業(yè)職業(yè)技術學院，湘潭 411207）

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(wèi)星發(fā)展的重要任務[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衛(wèi)星法蘭、對接時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上，提出一種能適應不同直徑目標衛(wèi)星法蘭、鎖緊元器件帶有結(jié)構(gòu)簡單、動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、導航、預警以及氣象等軍用和民用領域發(fā)揮著重要作用。隨著人類太空活動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程控制外，人類對衛(wèi)星的維修、維護以及升級等能力有待提升，存在故障衛(wèi)星難以修理、報廢衛(wèi)星難以清除、燃料耗盡的衛(wèi)星明明其他系統(tǒng)正常卻不得不報廢以及衛(wèi)星難以根據(jù)需要進行升級擴展等問題。衛(wèi)星具有高應用價值，其損失和失效將會帶來巨大的經(jīng)濟損失，故在衛(wèi)星維修維護領域的支撐性研發(fā)課題具有巨大的經(jīng)濟價值。未來社會的發(fā)展中，智能化等科技革命對衛(wèi)星的通信、導航等需求將會急劇擴大，衛(wèi)星數(shù)量、衛(wèi)星種類也將出現(xiàn)高速增長，對應的在軌服務系統(tǒng)的搭建與運行將成為必然。衛(wèi)星在未來將向在軌可建造、在軌可擴展、在軌可重構(gòu)的方向發(fā)展。因此，針對衛(wèi)星的捕捉技術將成為空間在軌服務技術開展與應用的重要一環(huán)。

隨著航天器的研發(fā)與應用，以及一系列航天任務的探索與實施，美國、歐洲、日本以及加拿大等國家和地區(qū)，在故障維修、維護保障、在軌裝配以及服務性設計等方面進行了相關探索。目前的在軌服務通常是基于某個具體任務進行的針對性操作，如哈勃望遠鏡在軌維修、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)的在軌服務體系，但是積累了大量經(jīng)驗。

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鍵任務開展了多項在軌服務項目。作為空間在軌服務中的關鍵部分，衛(wèi)星捕獲與軌道調(diào)整系統(tǒng)發(fā)揮著關鍵作用。

在國外，美國的在軌服務技術領域領先于其他各國，美國宇航局、國防高級研究計劃局以及美國空軍等，均提出了相關計劃。在可預見的未來，私人航天公司將會大規(guī)模參與在軌服務業(yè)務。美國在軌服務項目主要有自主交會技術驗證衛(wèi)星、試驗衛(wèi)星服務系統(tǒng)、軌道快車、微小衛(wèi)星技術試驗、軌道通用軌道修正航天器、前端機器人使能近期演示驗證、鳳凰以及詹姆斯·韋伯空間望遠鏡等。

在國內(nèi)，從21世紀初開始，在國家自然科學基金的支持下，我國對空天飛行器若干重大基礎問題進行了跨學科聯(lián)合科研，同時航天試驗系統(tǒng)和工業(yè)部門也進行了許多嘗試。目前，有關在軌服務的技術研究還很零散，很多工作尚處于概念研究階段，對什么是航天器在軌服務、在軌服務包括哪些內(nèi)容、通過哪些途徑實現(xiàn)、發(fā)展在軌服務需要關聯(lián)到哪些技術等，都尚未有系統(tǒng)和清晰的思路，沒有上升到理論層面。學術與技術主要關注在跟蹤研究方面，沒有形成廣泛認可的概念和技術體系。

隨著我國航天事業(yè)的不斷發(fā)展，航天探索與應用不斷深入，在軌服務的技術體系將逐步建立。隨著工程實踐的不斷積累，借鑒國外成功經(jīng)驗，我國在軌服務將迎來突破性發(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，由滑動座、小連桿、接觸板、導引桿、楔形塊、捕獲電機、絲杠組件、適應電機、聯(lián)軸器、固定座、傳動軸、內(nèi)撐手指組件、傳動箱、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安裝平臺，負責安裝各種傳感器與運動部件，并對部件運動進行引導和約束。捕獲電機、適應電機、傳動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作，通過對機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計，成功大幅削減了電機數(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座內(nèi)的安裝孔內(nèi)。可以通過絲杠放大驅(qū)動扭矩，實現(xiàn)滑動座整體的運動。滑動座通過T形凸起安裝在固定座的矩形槽內(nèi)，在絲杠螺母的帶動下可沿固定座的矩形槽滑動。滑動座上面的4個小連桿兩端分別與接觸板和滑動座鉸接，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箱的渦輪方孔內(nèi)，與渦輪形成固定關系。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。因為不同法蘭尺寸的差異，下壓鎖緊連桿的下壓動作不能為剛性，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

工作時適應電機旋轉(zhuǎn)，依次驅(qū)動傳動軸、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目標衛(wèi)星法蘭中心，隨后捕獲電機轉(zhuǎn)動，驅(qū)動絲杠帶動絲杠螺母和滑動座向法蘭中心移動[6-11]。此過程中接觸板接觸到目標衛(wèi)星后，在連桿帶動下向下平移，將目標衛(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。捕獲電機繼續(xù)轉(zhuǎn)動，滑動座接觸到內(nèi)撐手指組件后，推動內(nèi)撐手指組件和下壓鎖緊組件逆時針轉(zhuǎn)動。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烈沖擊時脫開。

3 仿真結(jié)果及分析

應用剛體動力學仿真軟件ADAMS建立如圖2所示的剛體動力學仿真模型。先在固定座、捕獲電機、適應電機與大地施加固定副，然后捕獲電機與絲杠施加固定副，適應電機與傳動軸施加固定副。此外，需要在絲杠螺母與滑動座施加固定副，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，小連桿與滑動座和接觸板分別施加轉(zhuǎn)動副。楔形塊與導引桿施加固定副后，與固定座施加滑動副，并在固定座與楔形塊安裝孔之間增加彈簧模型，使其具備一定的復位能力。傳動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)設定為0.1，動摩擦系數(shù)設定為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的安全要求。最大下壓速度為21 mm·s-1，總體上下壓平滑，運動過程中各部件運動規(guī)律符合預期，不同階段動作切換流暢，法蘭下壓到位，沒有出現(xiàn)法蘭偏轉(zhuǎn)、脫離問題，與目標衛(wèi)星的法蘭無較大的沖擊振動。

圖3 下壓鎖緊連桿組件前端位移速度規(guī)律

4 結(jié)語

在前人研究的基礎上，提出了一種使用蝸輪蝸桿驅(qū)動剛性連桿轉(zhuǎn)動實現(xiàn)適應不同直徑目標衛(wèi)星法蘭使鎖緊面積最大化的方案，同時采用四連桿聯(lián)動機構(gòu)實現(xiàn)對目標衛(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衛(wèi)星法蘭的捕獲和鎖緊，具備進一步實施工程實踐的理論基礎。后續(xù)將持續(xù)優(yōu)化和改進裝置性能和可靠性，適當設置動力冗余，避免長時間工作時驅(qū)動失效，同時對接觸摩擦部件增加固體潤滑涂層，進一步優(yōu)化動作導引相關導引槽外形，實現(xiàn)運動平緩、沖擊輕微。此外，可以通過工程試制和樣機試驗不斷測試、完善裝置功能。