用于空間站組建的平面式轉位方案設計

劉 艷， 沈曉鵬， 周 杰， 苑會領， 王治易， 羅 斌， 張崇峰

（1.上海宇航系統工程研究所， 上海 201109； 2.上海航天技術研究院， 上海 201109）

1 引言

由于火箭運載能力及尺寸包絡的限制，多模塊空間站組建通常采用艙段在軌組裝建造而成。根據組建工具的不同，多模塊空間站的組建有轉位組建和機械臂組建2 種方案。

轉位組建適用于“十”字構型空間站的建造，俄羅斯和平號空間站采用此種組建方案。 和平號空間站具有6 個對接口，5 個口集中在對接艙段上。 對接艙段結構密度很高，可以實現軸向和側向對接。 所有與和平號組裝的艙段必須首先與對接艙段實現軸向對接，然后通過轉位機構移動到側向對接口實現對接［1-2］。

機械臂操作組建方案是利用空間機械臂直接捕獲、抓取艙體到側向對接口，然后進行對接。 實際上是先實現空間交會，將需要對接的航天器停泊在空間站附近的預定位置（與空間站相對距離不變，相對速度為零），然后由空間站移動運輸服務中心的機械臂伸出去抓獲，通過操作機械臂，緩慢縮短兩者之間的相對距離，直至兩者的對接機構捕獲成功。 國際空間站采用此種組建方案［3］。

中國空間站基本的“T”字構型與和平號“十”字構型類似，因此也采用轉位組建方案。 但是俄羅斯和平號空間站采用的是翻轉式轉位機構組裝方案，這一方案在艙體轉位到位后，艙體姿態會發生90°的翻轉。

為了解決艙體轉位前后姿態翻轉問題，本文創新性地提出了平面式轉位方案，即實驗艙在同一平面內進行轉位，由于質心的運動軌跡也處在一個平面，轉位動作對空間站組合體的姿態擾動較小，更易于空間站的姿態控制。 本文研究用于中國空間站組裝建造的平面式轉位機構的設計方案，內容包括任務與功能分析、構型與布局設計、機構原理、工作過程等。 同時將平面式轉位方案與機械臂和翻轉式轉位方案進行對比，以驗證中國空間站的組裝建造路徑的可靠性。

2 任務與功能分析

2.1 任務分析

中國空間站由核心艙、實驗艙Ⅰ和實驗艙Ⅱ3個模塊組成，同時配套載人飛船和貨運飛船作為乘員和物品運輸的支持系統［4-5］，圖1 為空間站組合體構型示意圖。

圖1 中國空間站組合體構型Fig.1 Schematic diagram of China Space Station assembly

根據中國空間站系統規劃，空間站核心艙的節點艙基體為一球形，如圖2 所示。 在球形基體上幾何對稱布置6 個擴展口，其中1 個擴展口延伸連接核心艙主艙體，Ⅰ象限徑向對接口、Ⅱ／Ⅳ象限側向對接口和前端軸向對接口安裝有被動對接機構，Ⅲ象限為出艙口，其中Ⅱ、Ⅳ象限2 個側向對接口用于2 個實驗艙轉位后的停泊口。 來訪航天器前端安裝有主動對接機構，用以實現和空間站節點艙的軸向對接。

圖2 節點艙構型Fig.2 Schematic diagram of node module configuration

空間站平面式轉位機構任務要求能夠將實驗艙Ⅰ和實驗艙Ⅱ從軸向對接口轉位至相應的側向對接口，同時艙體象限在轉位前后保持不變，稱為平面轉位［6］。 艙體象限保持不變是指正常飛行姿態下，在轉位前后實驗艙對地象限保持不變。如圖3 所示，以核心艙Ⅰ象限對地為正常飛行姿態，在轉位前后實驗艙均是Ⅰ象限對地。 而和平號空間站翻轉式轉位則會在轉位后對地象限變為實驗艙Ⅱ或Ⅳ象限。

圖3 平面式轉位Fig.3 The diagram of plane-transfer scheme

核心艙配置轉位機構被動端稱為基座，實驗艙配合轉位機構主動端稱為轉臂［7］。 利用平面式轉位機構進行空間站實驗艙Ⅰ和實驗艙Ⅱ的組建，過程如下：

1）實驗艙Ⅰ與核心艙的節點艙建立軸向對接；

2）轉位機構在實驗艙Ⅰ與節點艙之間建立剛性連接；

3）實驗艙Ⅰ與節點艙解除軸向對接；

4）轉位機構將實驗艙Ⅰ轉位至節點艙側向對接口；

5）轉位機構狀態保持，實驗艙Ⅰ與節點艙建立側向對接；

6）轉位機構解除實驗艙Ⅰ與節點艙之間的剛性連接。

實驗艙Ⅱ的組裝過程與實驗艙Ⅰ相同，轉位至另一側向對接口。 具體過程如圖4 所示。

圖4 利用平面式轉位機構進行空間站實驗艙組建過程Fig.4 The construction process of the China Space Station module by the plane-transfer mechanism

2.2 功能分析

根據任務要求，轉位機構功能分解如圖5 所示：①在將實驗艙從軸向轉位到側向的動作之前，轉位機構轉臂與基座之間需要進行捕獲和連接；②在轉臂和基座建立了可靠的剛性連接之后，將實驗艙從軸向對接口轉位到側向對接口；③在側向對接口，為了克服對接機構側向捕獲過程中的作用力，轉位機構需要具有位置保持功能，以支持對接機構實現側向捕獲；④在對接機構側向對接捕獲完成后，轉位機構主被動端之間應具有解鎖、分離功能，解除實驗艙與節點艙之間的約束后對接機構實現側向剛性連接。

圖5 轉位機構功能分解Fig.5 Functional decomposition of transfer mechanism

3 平面式轉位機構方案設計

3.1 轉位過程自由度設計

平面式轉位機構在實驗艙與節點艙之間建立剛性連接后，將實驗艙從軸向到側向的轉位過程中，根據轉位機構運動自由度的不同，會有多種轉位路徑。 在確定平面式轉位機構系統方案時，以簡單可靠、機構自由度最少的平面式轉位為原則進行轉位功能的路徑設計。 本文對實驗艙從軸向平面式轉位到側向所需的最少運動自由度進行分析。

3.1.1 關節旋轉運動自由度

定義安裝在實驗艙上的轉臂關節為肩關節，另一端轉臂關節為腕關節。 轉臂連接基座后，轉臂軸線與實驗艙軸線夾角為α，稱為連接角。 從實驗艙轉位前后的位置可知，肩關節需要繞實驗艙轉動角度為2α。 轉位過程中腕關節轉動角度為β，稱為轉位角，如圖6 所示。

圖6 艙體轉位角Fig.6 Angle of space station module rotation

由幾何關系可知，β＝2α＋90°，即將實驗艙由軸向口轉至側向口，肩關節需要轉動2α，實現實驗艙的翻轉；腕關節需要轉動2α＋90°，實現實驗艙的擺動。 根據實驗艙、節點艙及對接機構尺寸，連接角和轉位角根據轉位機構在艙體上的安裝布局尺寸具體確定。

為了分別實現空間站實驗艙Ⅰ和實驗艙Ⅱ的組建，配置方案如下：

在節點艙上布置2 套轉位機構基座，基座軸線位于節點艙軸向口軸線與側向口軸線的平分線上，與軸向口軸線夾角為45°，如圖7 所示。

圖7 節點艙上2 個基座安裝位置示意圖Fig.7 Schematic installation of two sockets on the node module

轉臂安裝于實驗艙上，轉臂軸線與基座軸線處于同一平面內，安裝高度一致，如圖8 所示。

在空間站組建過程中，初始應預先設定實驗艙上轉位機構轉臂與節點艙上轉位機構基座的對應位置，從而能夠由軸向對接口向預定的側向對接口轉位。

根據工程任務規劃，實驗艙Ⅰ在完成軸向對接后，由轉位機構轉位至節點艙Ⅳ象限停泊口，實驗艙Ⅱ在完成軸向對接后，由轉位機構轉位至節點艙Ⅱ象限停泊口。

對應不同的實驗艙停泊口，轉位機構的轉位旋轉方向不同，圖9 和圖10 分別為實驗艙Ⅰ和實驗艙Ⅱ轉位過程中肩關節和腕關節的旋轉方向。

3.1.2 軸向運動自由度

對接機構對接框上裝有導向板、導向銷、導向套、分離推桿和鎖系，導向板為空間交錯分布，導向銷與分離推桿在圓周上非均布，如圖11 所示［8］。 轉位機構如果在主被動對接機構拉緊時實現捕獲連接，并在此狀態下將艙體直接擺動到側向將必然出現結構干涉，需要使實驗艙與節點艙兩對接機構端面分開一定距離。 鑒于對接機構具有對接環推出拉回功能［9］，在轉位前該推出運動自由度可由主動對接機構將對接環推出實現，因此不需要轉位機構設計相應的運動自由度。

圖10 實驗艙II 轉位時關節旋轉方向Fig.10 Direction of joint rotation when Experiment Module II is rotated

3.2 機構構型設計

圖11 導向板及銷（套）干涉檢查Fig.11 Guide plate and pin（sets） interference check

轉位機構由主動端和被動端配合實現轉位功能，主動端是指主動驅動實施轉位機構間捕獲、連接和解鎖功能的轉臂部分；被動端是指配合主動端完成轉位機構間捕獲、連接和解鎖功能的基座部分。

主動端轉臂和被動端基座在節點艙和實驗艙上的安裝方式分為2 種：①轉臂裝在實驗艙上，基座裝在節點艙上；②基座裝在實驗艙上，轉臂裝在節點艙上。 主被動端這2 種不同的構型方式導致機構功能實現方案以及可靠性水平的不同。 本文分3 種不同方案進行分析比較，在方案對比中機構自由度是指作用于艙體轉動所需最小自由度。由于連接、解鎖、位置保持功能的實現不受機構構型的影響，因此不針對此3 項功能進行對比分析。

1）方案A。 主動端轉臂安裝在實驗艙上，被動端基座安裝在節點艙上，如圖12（a）所示。 捕獲、分離的旋轉運動和實驗艙翻轉運動由主動端轉臂實現。 實驗艙擺動旋轉運動由主動端轉臂實現，旋轉軸為基座的旋轉中心。 轉位機構為2 自由度機構。

圖12 機構構型分析Fig.12 Analysis of the mechanism configuration

2）方案B。 主動端轉臂安裝在節點艙上，被動端基座安裝在實驗艙上，如圖12（b）所示。 捕獲、分離的旋轉運動和實驗艙翻轉運動由主動端轉臂實現。 實驗艙擺動旋轉運動由主動端轉臂實現。 轉位機構為2 自由度機構。

3）方案C。 主動端轉臂安裝在節點艙上，被動端基座安裝在實驗艙上，如圖12（c）所示。 捕獲、分離的旋轉運動由主動端轉臂實現。 實驗艙翻轉運動由被動端基座實現，實驗艙擺動旋轉運動由主動端轉臂實現。 轉位機構為3 自由度機構。

從以下方面進行不同構型對比：①轉臂功能；②基座結構復雜程度；③機構在軌運動時間及可靠性要求；④完成空間站系統組建各個艙體上所需的轉位機構配套。 如表1 所示。

表1 構型分析表Table 1 Configuration analysis table

綜合分析，由于平面式轉位方案一套轉位機構僅能對應一個側向對接口，因此系統總體配置均是2 套轉臂＋2 套基座。 但是若2 套轉臂均布置在節點艙上，將占用節點艙較大空間。 在各系統配套質量可以接受的情況下，第一種構型配置方案，即方案A 為最優的構型方案，轉臂安裝在實驗艙上，基座安裝在節點艙上。 該方案系統自由度最少，并且在提前入軌的節點艙上配置的是僅用于結構承載的基座，系統可靠性高。

3.3 布局及原理設計

平面式轉位機構具體組成及機械原理如圖13 所示。 其機械系統由轉臂、基座兩部分組成，轉臂安裝在實驗艙上，基座安裝在節點艙上。 轉臂由肩關節驅動機構、腕關節驅動機構和捕獲連接機構組成，其中捕獲連接機構中的萬向擺動組件頭部的捕獲錐頭與基座鎖鉤配合實現捕獲連接功能。 肩關節和腕關節驅動機構用于驅動實驗艙2 自由度的旋轉，同時在肩關節與腕關節中安裝有電磁制動器，在轉位到位后鎖定電磁制動器，確保在側向對接過程中，轉位機構關節處于鎖定狀態。 基座與轉臂配合完成動作。

圖13 轉位機構布局及原理圖Fig.13 Layout and schematic diagram of transfer mechanism

3.4 優點及局限性分析

與機械臂轉位相比，利用平面式轉位機構進行實驗艙轉位過程中，對航天器的位置和姿控精度要求沒有使用機械臂進行側向對接時高；同時轉位機構臂體長度小，自由度少，結構簡單，能夠安全可靠地完成艙體從軸向到側向對接口的轉位任務。 但是轉位機構在完成轉位任務的同時，也具有一定的局限性，轉位機構功能單一，僅用于艙體軸向與側向之間的轉位，而不具有操作各種試驗載荷的功能。

與翻轉式轉位機構對比，平面式轉位機構在轉位前后艙體對地象限不會發生變化，翻轉式轉位機構在轉位前后艙體對地象限會發生90°的翻轉，在實驗艙內設備不允許進行翻轉的情況下需要使用平面式轉位方案。 但是節點艙上一套翻轉式轉位機構基座可以實現軸向對接口與相鄰2 個側向對接口的轉位任務，而節點艙上一套平面式轉位機構基座僅能實現軸向對接口與相鄰一個側向對接口之間的轉位任務。

4 工作過程設計

實驗艙轉位組裝過程需要轉位機構與對接機構交互工作配合實現。 實驗艙與節點艙軸向對接口通過周邊式對接機構實現鎖緊、密封并完成貨物轉運后，實驗艙準備進行轉位任務。

轉位過程如圖14（a）～（f）所示。

圖14 平面式轉位組建方案轉位工作過程Fig.14 The working process of plane-transfer scheme

1）在轉臂與基座捕獲前，使對接機構捕獲鎖鎖緊、對接鎖解鎖。 對接環推出至準備轉位位置，即推出至避免干涉的位置，進行轉臂和基座的捕獲。 此時節點艙與實驗艙之間通過對接機構捕獲鎖鎖緊來保持連接狀態。 轉臂與基座的捕獲初始條件主要由對接機構對接環推出偏差決定，而不依賴于兩飛行器之間的位置姿態控制精度，因此在轉臂與基座的捕獲能力覆蓋捕獲偏差范圍的條件下能夠保證轉臂和基座的可靠捕獲。

2）轉位機構轉臂旋轉捕獲基座并剛性連接。

3）對接機構捕獲鎖解鎖，對接環拉回，以解除實驗艙與節點艙之間對接機構的約束。 轉位機構驅動實驗艙完成規劃的腕關節旋轉45°。

4）肩／腕關節同時旋轉117°。

5）腕關節繼續旋轉45°的轉位路徑后，實驗艙到達側向對接口。 到位精度優于2°，關節各轉動角度根據幾何布局以及避免運動過程的干涉為原則確定。 在側向對接口，通過轉位機構轉臂與基座之間的剛性連接來保證節點艙與實驗艙之間的相對位置，使對接機構可靠捕獲。 在此過程中轉位機構需提供對接機構對接環推出捕獲鎖捕獲過程的支反力。

6）對接機構側向捕獲完成后，轉位機構轉臂與基座間解鎖復位，對接機構對接環拉回，對接鎖鎖緊完成剛性連接密封。

上述轉位過程對接機構與轉位機構的協同交互配合關系如圖15 所示，圖中虛線框內為周邊式對接結構動作。

圖15 對接與轉位機構協同配合關系Fig.15 Coordination relationship between docking and transfer mechanisms

5 結論

本文針對中國空間站系統規劃，進行了平面式轉位方案的設計，為空間站工程提供參考，具體如下：

1）基于中國空間站構型，進行了平面式轉位機構任務和功能分析。

2）對平面式轉位機構的機構自由度、機構原理及布局進行設計，從而確定了轉位機構的系統方案，同時對比了平面式轉位機構與機械臂、翻轉式轉位機構之間的差異。

3）結合周邊式對接機構的工作過程，給出了對接與轉位機構協同工作的工作過程和工作時序。