空間站夢天載荷適配器設計與連接精度驗證

盧 彪，龔寧靜，楊新海，2，王治易，2，卓 新，馮文博，謝 哲，劉永強，丁亮亮

（1.上海宇航系統工程研究所，上海 201109；2.中國航天科技集團有限公司 空間結構與機構技術實驗室，上海 201100）

0 引言

空間站試驗載荷承擔空間科學實驗、空間應用和空間技術試驗的任務，試驗需要艙外平臺提供必需的試驗資源，如安裝固定、電源、數據傳輸/控制等。載荷適配器是將艙內資源提供給艙外試驗載荷的標準接口設備，含主動端和被動端2 部分，是一種輕小型對接機構［1］。將載荷適配器的被動端裝在空間站艙體外部，主動端安裝在艙外載荷上［2］，具備捕獲、連接、解鎖和分離的能力。

世界各航天強國對載荷適配器展開深入研究。美國艙外載荷適配器［2-6］（Flight Releasable Attachment Mechanism，FRAM）為純機械式載荷適配器，用于實現暴露平臺與載荷之間的機械和電連接。FRAM 被動端與暴露平臺通過螺栓連接，利用分布在兩側的圓錐銷和圓錐孔消除載荷適配器主被動端的初始姿態誤差，再通過定位銷和定位銷孔的配合實現主被動端的定位，最終絲杠傳動完成連接與鎖緊。俄羅斯可重構通用工作站［7-8］艙外載荷適配器由主動端和被動端組成，主動端安裝在工作站上，被動端安裝在載荷上。主被動端通過方形的定位孔和方形定位銷的配合消除初始姿態誤差，由航天員手動實現載荷適配器的鎖緊與電連接器的連接。日本實驗艙暴露設施使用的載荷適配器（Exposed Facility-equipment Exchange Unit，EEU）［9］通過3 個捕獲 鎖與V 形導向 槽配合消 除初始位姿誤差，然后利用銷孔配合實現精確定位，最后通過捕獲鎖抓獲V 形槽實現主被動端機械鎖緊和電連接器的連接。

2022 年，完成我國載人空間站建造，支持開展大規模、多學科和系列化的空間科學試驗［10-11］。空間站問天實驗艙和夢天天實驗艙艙體外部配置了載荷適配器，被動端裝在空間站艙體外部，主動端安裝在艙外載荷上。

夢天實驗艙載荷適配器采用桿-槽式連接鎖定方案，通過被動端3 處均布的鎖柄和主動端中心定位槽配合消除初始位姿誤差，主動端定位槽和被動端鎖柄連接過程中，同步實現機械鎖緊和電連接器的連接［12-15］。

空間站建成后將在軌運營10 年以上，實驗資源充足，對載荷適配器的需求急速增長。載荷試驗周期較短，通過在軌更換，高效利用標準空間站平臺接口資源。載荷適配器需滿足以下功能要求：

1）具有在軌互換性，即主動端具備與不同的被動端捕獲、連接、解鎖和分離的能力，被動端具備與不同的主動端捕獲、連接、解鎖和分離的能力。

2）具有容差適應性，即主被動端之間捕獲容差自動適應能力，能夠適應一定范圍內的捕獲容差且捕獲可靠。

3）具備連接可靠性，即主被動端之間連接精度滿足電連接器的容差要求。

1 產品設計

1.1 應用場景

載荷適配器被動端安裝在艙外平臺上，空載隨艙發射入軌。發射時，根據需求確定載荷適配器被動端裝艙的位置和數量。艙外試驗載荷主要從載荷氣閘艙出艙，利用出艙機構將載荷送出艙外，然后由機械臂捕獲并轉移至艙外平臺安裝。利用載荷適配器，實現載荷在出艙機構上的安裝。考慮到航天員出艙代價和風險，試驗載荷設備在艙外平臺上的在軌安裝、更換和回收等在軌照料工作主要以機械臂操作為主。因此，艙外試驗載荷上需安裝載荷適配器主動端，試驗載荷上行后，在軌由機械臂實現對艙外載荷的轉移、安裝和更換。

1.2 設計思路

空間站夢天載荷適配器采用捕獲、校正、連接、鎖緊一體化設計思路，對機構各功能進行集成，提高結構布局的緊湊性和連接分離的可靠性。

在功能實現方面，機械臂提供初始對接條件后，按照粗校正-精校正-斷接器插合并形成組合體的流程完成捕獲連接；分離時，按其逆過程，即斷開斷接器并解鎖、釋放的順序實現分離，后續由機械臂負責，使得主、被動端相互撤離至安全位置。夢天載荷適配器設計思路如圖1 所示，主動端與被動端各部組件互相配合，實現連接分離、流路通斷及電信息通斷3 大功能。

圖1 夢天載荷適配器的設計思路Fig.1 Design idea for the Mengtian payload adapter

1.3 產品組成

空間站夢天載荷適配器由主動端和被動端2 部分組成，其中被動端安裝在夢天暴露平臺上，主動端安裝在試驗載荷上，如圖2 所示，2 個部分為一體化設計。主、被動端上分別配置電路浮動接口及液路浮動接口。在機械臂輔助操作下，實現主動端（配備試驗載荷）出艙轉移及初始定位；在適配器主動端捕獲鎖定裝置的作用下，完成對被動端的捕獲及鎖緊。在鎖緊過程中，主被動端完成相對位姿的精確校正，為配置于主被動端的浮動電連接器和液路斷接器頭/座插合提供初始條件，實現主動端供電、信息和液路的在軌過路聯通。

圖2 夢天載荷適配器的組成Fig.2 Configuration of the Mengtian payload adapter

除電機驅動外，航天員還可利用艙外通用工具和延伸桿通過手動接口驅動主動端轉杯運動，實現主、被動端之間的捕獲、校正、鎖緊、解鎖和分離。載荷適配器主、被動端結構布局如圖3 所示。由圖3可知，主動端由捕獲鎖定裝置、浮動電連接器插頭、浮動液路連接器插頭及結構框體組成，捕獲鎖定裝置包含3 處均布的定位槽。被動端由3 處均布的鎖柄、浮動電連接器插座、浮動液路連接器插座及結構框體組成。

圖3 夢天載荷適配器的結構布局Fig.3 Layout of the Mengtian payload adapter

2 互換性及連接精度設計

介紹天宮夢天載荷適配器主、被動端定位方式；通過幾何分析的方式，對120°分布的桿-槽式對接方式［15］進行數學建模，分析該定位方式互換性、定位精度等特性；通過Matlab 軟件，對數學模型進行數值分析，對該定位方式的定位精度展開量化分析。

2.1 桿-槽式定位

夢天載荷適配器依靠桿-槽定位原理進行定位，定位原理如圖4 所示。該定位方式具備互換性好、連接精度高等優點。其中位于被動端上3 處均布的鎖柄與位于主動端上3 處均布的定位槽配合定位，進而實現載荷適配器主、被動端的連接鎖定定位。為電路浮動斷接器及液路浮動斷接器頭座間插合提供初始條件。

圖4 主-被動端定位原理Fig.4 Positioning principle at the active-passive end

2.2 數學建模分析

適配器被動端原理如圖5 所示。由圖5 可知，坐標系為Ob-XbYbZb，3 個鎖柄分別為ObAb、ObBb和ObCb。被動端裝配完成后，中心角αb、βb和γb為已知常量，而與主動端配合時實際作用點Ab、Bb和Cb在鎖柄ObAb、ObBb和ObCb上的具體位置，隨主動端U 行槽分布誤差而變化。

圖5 被動端原理Fig.5 Principle at the adapter passive end

被動端鎖柄在任意有效作用長度ra（AbOb）、rb（BbOb）、rc（CbOb）下，定位作用點Ab、Bb、Cb間距離表達式如下：

適配器主動端原理如圖6 所示。

圖6 主動端原理Fig.6 Principle of the adapter active end

其中坐標系為Oa-XaYaZa，U 型槽位置與中心連線為OaAa、OaBa、OaCa。假設適配器主動端U型槽分布半徑為理論值R=66 mm，在給定中心角αa、βb、θc的情況下，各定位作用點Aa、Ba、Ca間距的表達式如下：

組合體原理如圖7 所示。

圖7 組合體原理Fig.7 Principle of the connection assembly

當鎖柄ObAb、ObBb和ObCb分別 與主動端U 型槽點Aa、Ba和Ca點重合時，可證明適配器主、被動端能實現有效連接。可等效為證明存在ra、rb、rc，下述3 個等式成立：

代入可得表達式如下：

適配器被動端鎖柄角度誤差范圍為±0.1°，主動端定位槽分布角度誤差范圍為±0.1°，因此適配器主、被動端互換性問題及連接精度問題可轉化為主、被動端中心角αa、βa、αb、βb在119.9°～120.1°范圍內時，未知數為被動端鎖柄在任意有效作用長度ra（AbOb）、rb（BbOb）、rc（CbOb）的方程組是否存在正實數解及有效作用長度rb（BbOb）相對理論值的偏差大小問題。

2.3 數值計算

通過Matlab 軟件計算當被動端各中心角αb、βb在范圍119.9°～120.1°內取值，主動端各中心角αa、βa在范圍119.9°～120.1°內取值時，未知數為被動端鎖柄在任意有效作用長度ra（AbOb）、rb（BbOb）、rc（CbOb）的方程組存在正實數解，范圍為65.76～66.24 mm。因此，證明組合體可實現有效連接，即按現有設計精度，載荷適配器主被動端可實現連接鎖緊，具有互換性。

通過計算可得主被最大定位誤差為0.24 mm，最大角度誤差為0.18°。

3 試驗驗證

3.1 試驗方法

采用對接機構性能試驗系統對載荷適配器連接過程進行模擬。對接機構性能試驗系統如圖8 所示，為半物理試驗系統，具備模擬在機械臂輔助情況下載荷適配器捕獲、連接、鎖緊過程的功能。試驗臺主要包括試驗臺機械臺體、驅動系統（6 自由度機器人和機器人驅動器）、力測量與仿真系統（六維力傳感器、采集板卡、動力學仿真模型）、控制系統（控制上位機、下位機）及監視與顯示系統，系統組成如圖8 所示。

圖8 對接機構性能試驗臺Fig.8 Performance test bed for the docking mechanism

采用工業機械臂模擬實驗艙機械臂實現力阻抗模式，其中載荷適配器主動端安裝于機械臂末端，載荷適配器被動端安裝于機械臺體。對機械臂定位系統進行標定后，設置載荷適配器主被動端初始狀態，由機械臂攜帶載荷適配器主動端施力運動，通過機械臂阻抗控制配合主被動之間的機械界面導向，最終實現與被動端完成捕獲，與主被動端連接。載荷適配器主、被動端連接完成后，通過激光跟蹤儀測試系統測試主被動端連接精度，載荷適配器連接精度測試系統如圖9 所示。

3.2 試驗結果

為驗證適配器產品互換性指標及連接精度指標，設計生產2 臺主動端產品及10 臺被動端產品，通過排列組合方式，開展逐對互換性匹配及連接精度試驗驗證。在機械臂的輔助下完成主、被動端產品連接鎖緊，鎖緊完成后，測試主、被動端產品連接精度。測試結果見表1。由表1 可知，參與測試的2 臺主動端產品可分別與10 臺被動端產品完成匹配連接，且連接角度誤差與位置誤差均滿足指標要求。

表1 載荷適配器連接精度試驗表格Tab.1 Connection accuracy tests on the Mengtian payload adapter

3.3 試驗小結

通過對載荷適配器多臺產品進行互換性匹配測試及連接精度測試，可得如下結論。

1）參與試驗的載荷適配器主動端、被動端產品具有良好互換性性能，與上文理論分析結果相匹配。

2）20 個工況對接試驗完成后，連接精度測試顯示最大角度偏差0.16°，最大位置偏差為0.21 mm。上述數值均在理論分析最大誤差值0.18°及0.24 mm 范圍內。測試結果與理論分析結果向相匹配。

3）在進行一定精度控制前提下，3 處120°均布的桿-槽式定位構型具備較好的互換性性能，且對接精度滿足使用要求。該構型可作為后續空間對接機構設計選型時的優選構型。

4 結束語

介紹夢天載荷適配器產品，并對產品互換性和連接精度性能進行理論分析及試驗驗證。

1）介紹夢天載荷適配器工作過程、產品組成及桿-槽式定位原理；對3°～120°均布桿-槽定位方式展開數學建模分析，通過分析數學模型，得出該定位方式具有良好的定位精度及互換性能，在后續空間對接機構設計過程，可作為備選構型優先考慮。

2）對適配器產品互換性及連接精度特性進行理論計算及設計，分析結果表明，在主動端定位槽分布精度±0.1°、被動端定位鎖柄分布角度精度±0.1°的情況下，適配器定位位置誤差≤0.24 mm，角度誤差≤0.18°；最后設計了20 個試驗工況，通過2 臺主動端產品，分別與10 臺被動端產品進行逐個對接測試，各工況主被動端匹配性良好，最大位置誤差0.21 mm，最大角度誤差為0.16°。

夢天載荷適配器采用的桿-槽式對接方案具備較好的互換性，且對接精度可滿足使用要求。