（航空宇航科学与技术专业论文）新型类锥杆式对接机构的碰撞过程分析.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 随着2 1 世纪人类在空间领域的不断突破，日益增长的无人自主在轨服务需求 和激烈的国际竞争对空间对接机构的自主性、多样性、稳健性、可靠性及其总体 性能提出了越来越高的要求。从美国、俄罗斯、日本等航天大国的已有经验来看， 要保证航天器空间对接的高成功率、高可靠性，不但要重视对接机构的设计、研 制和试验，还必须十分重视对接机构的仿真研究。本文从提高对接机构的设计水 平，改进对接机构的工作性能出发，结合课题组目前正在开展的航天器在轨服务 技术研究，对一种新型类锥杆式对接机构的碰撞过程进行了建模与仿真分析。 首先，对空间对接技术新的应用需求、发展特点以及空间对接机构的发展概 况等进行了总结，分析了类锥杆式对接机构的优点，并对空间对接过程的建模与 仿真技术进行了研究。 其次，针对本文所研究的新型类锥杆式对接机构的结构特点，定义了系统的 坐标系，并对系统碰撞过程中各部分之间的运动学关系进行了研究。另外还研究 了对接系统的欧拉动力学方程，接触碰撞问题求解模型，碰撞力系数与材料的杨 氏模量、泊松比以及侵入量之间的数学关系式等。在此基础上，进一步对碰撞过 程的动力学模型进行了综合研究，推导了各种惯性力以及广义力的虚功率形式， 并得到了碰撞过程的动力学模型。 然后，采用几何法对类锥杆式对接机构的碰撞点计算模型进行了研究。根据 笛卡儿空间坐标系的“点”投影不变性原理和类锥杆式对接机构的结构特点，论 文提出将碰撞点的计算分为对接杆中心轴与对接锥中心轴共面和异面两种情况来 分别进行研究，并相应得到了这两种情况下的碰撞点计算模型。 最后，研究了对接机构在空间对接过程中不同对接初始条件下的动力学特性， 并针对影响对接机构碰撞过程的诸多因素进行了大量的仿真分析，得到了许多有 价值的结论。在上述仿真分析的基础上，还对对接锥型面改进设计方法进行了研 究，并得到了满足改进设计要求的新型对接锥型面。 论文对类锥杆式对接机构的接触碰撞过程建模理论进行了系统研究，并将其 应用于所研究对象的工作特性仿真分析中，为进一步提高结构的总体设计水平奠 定了良好的基础。 主题词：自主在轨服务航天器类锥杆式对接机构接触碰撞仿真分析 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a b s t r a c t w 沛m a n k i n dc e a s e l e s s l yb r e a k i n gn e wg r o u n di nt h ef i e l do fs p a c ea tt h e21s t c e n t u r y ，t h eg r o w i n g d e m a n d sf o ra u t o n o m o u so n - o r b i ts e r v i c i n ga n df i e r c e i n t e r n a t i o n a lc o m p e t i t i o n sa r ep u t t i n gf o r w a r dh i g h e ra n dh i g h e rr e q u i r e m e n t st ot h e a u t o n o m y ，d i v e r s i t y ，r o b u s t n e s s ，r e l i a b i l i t ya n dt h eo v e r a l lp e r f o r m a n c eo ft h es p a c e r e n d e z v o u sa n dd o c k i n gm e c h a n i s m f r o mt h ee x i s t i n ge x p e r i e n c eo ft h eu n i t e ds t a t e s ， r u s s i a , j a p a na n do t h e rs p a c ep o w e r s ，t oe n s u r eh i g hs u c c e s sr a t ea n dh i g l lr e l i a b i l i t yo f t h es p a c e c r a f f sd o c k i n gp r o c e s si ns p a c e ，a t t e n t i o n ss h o u l db ep a i dn o to n l yo nt h e d e s i g n ，d e v e l o p m e n ta n dt e s to f t h ed o c k i n gm e c h a n i s m ，b u ta l s os h o u l db ep a i do nt h e s i m u l a t i o no fd o c k i n gp r o c e s s i nt h i sp a p e r ，e n h a n c i n gt h ed e s i g nl e v e l so ft h ed o c k i n g m e c h a n i s ma n du n d e r s t a n d i n gt h ew o r k i n gc o n d i t i o n so ft h ed o c k i n gp r o c e s sa r ea i m e d a t c o m b i n i n g 、i mo u rt e a m sc u r r e n tr e s e a r c ho nt h es p a c e c r a f t so n o r b i ts e r v i c i n g t e c h n o l o g y ，d o c k i n gp r o c e s so fan e wt y p eq u a s ip r o b e c o n ed o c k i n gm e c h a n i s ma r e a n a l y z e db ym o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n f i r s t l y ，n e wa p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t sa n dd e v e l o p m e n tc h a r a c t e r i s t i c so fs p a c e d o c k i n gt e c h n o l o g ya r ea n a l y z e d ，d e v e l o p m e n to fd o c k i n gm e c h a n i s ma n dm e r i t so f t h e q u a s ip r o b e - c o n ed o c k i n gm e c h a n i s ma r es u m m a r i z e d ，a n dt h et e c h n o l o g yo fm o d e l i n g a n ds i m u l a t i o nf o rs p a c ed o c k i n gp r o c e s si ss t u d i e d s e c o n d l y ，a c c o r d i n gt ot h e f e a t u r e so ft h en e wt y p eq u a s ip r o b e - c o n ed o c k i n g m e c h a n i s m ，s y s t e m a t i cc o o r d i n a t e sa r ed e f i n e d ，a n dt h ek i n e m a t i c a lr e l a t i o n s h i p so f v a r i o u sp a r t sd u r i n gt h ec o l l i s i o np r o c e s sa r es t u d i e d ，a sw e l la sr e s e a r c ho nt h ee u l e r s d y n a m i ce q u a t i o n s ，t h ec o n t a c t - i m p a c ts o l v i n gm o d e l s ，a l o n gw i t ht h em a t h e m a t i c a l r e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h ec o e f f i c i e n to fc o l l i s i o nf o r c ea n dt h em a t e r i a ly o u n g s m o d u l u s ，p o i s s o n sr a t i o ，t h ei n t r u s i o na m o u n ta r ed o n ef o rt h ed o c k i n gp r o b l e m o n t h a tb a s i s ，af u r t h e rc o m p r e h e n s i v es t u d yo ft h ec o l l i s i o nd y n a m i c sm o d e l si sm a d ew i t l l t h ev i r t u a lp o w e rp r i n c i p l e av a r i e t yo fi n e r t i a lf o r c ea n dn o n i n e r t i a lf o r c ei sd e d u c e d t ot h ev i r t u a lp o w e rf o r m ，a n dac o m p l e t ed y n a m i cm o d e lf o rt h ec o l l i s i o np r o c e s sh a s b e e ns t u d i e da sav e c t o rf o r m t h i r d l y ，d e t e c t i n ga n dc a l c u l a t i n gm o d e l so ft h ec o l l i s i o np o i n t s a st h eq u a s i p r o b e - c o n ed o c k i n gm e c h a n i s mc o l l i d i n g 、舫t he a c ho t h e ra r es t u d i e db yg e o m e t r i c m e t h o d s a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo f ”p o i n t ”p r o j e c t i o ni n v a r i a n c ei nt h ec a r t e s i a n s p a c ec o o r d i n a t es y s t e ma n dt h es t r u c t u r a ls y m m e t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h eq u a s i p r o b e - c o n ed o c k i n gm e c h a n i s m ，f o rt h ef i r s tt i m et h i sp a p e rp r o p o s e st od i v i d et h e p r o b l e m o f d e t e c t i n g a n dc a l c u l a t i n gt h ec o l l i s i o n p o i n t s i n t ot w ok i n d so f c i r c u m s t a n c e s ，t h a ti sc o p l a n a ra n dn o n c o p l a n a rb e t w e e nt h ec e n t r o s y m m e t r i ca x i so f t h ed o c k i n gp o l ea n dt h ec e n t e r l i n eo ft h ep a s s i v ed o c k i n gc o n e ，t h e nt h ed e t e c t i n ga n d c a l c u l a t i n gm o d e l so ft h ec o l l i s i o np o i n t sf o r t h eb o t hc a s e sh a sb e e nd e d u c e d 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 f i n a l l y ，t h ek i n e m a t i c a la n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h ed o c k i n gm e c h a n i s mi n d i f f e r e n ti n i t i a lc o n d i t i o n sd u r i n gt h ec o l l i s i o np r o c e s sa r es t u d i e d a sw e l la sal a r g e n u m b e ro fs i m u l a t i o na n a l y s e sa r em a d et ou n d e r s t a n dm a n yf a c t o r so fi m p a c t i n gt h e c o l l i s i o np r o c e s s ，m o r e o v e ran u m b e ro fs i g n i f i c a n tg u i d a n c ec o n c l u s i o n sa r ea c q u i r e d a sar e s u l t i na d d i t i o n ，o nt h eb a s i so fa b o v es i m u l a t i o na n a l y s e s ，t h ed o c k i n gc o n e i n n o v a t i o nd e s i g nt e c h n i q u ei ss t u d i e da n dan e ws a t i s f i e dd o k i n gc o n ei so b t a i n e d t os u mu p ，t h et h e o r yo fm o d e l i n gt h ec o n t a c ta n dc o l l i s i o np r o c e s sf o rt h eq u a s i p r o b e - c o n ed o c k i n gm e c h a n i s mi ss y s t e m a t i c a l l ys t u d i e di nt h i sp a p e r , a n di t i sa p p l i e d t ot h es i m u l a t i o na n a l y s e so ft h eo b j e c t sw o r k i n gc h a r a c t e r i s t i c s t h er e s e a r c hw o r k e s t a b l i s h e sag o o df o u n d a t i o nf o rf u r t h e ri m p r o v e m e n to fs t r u c t u r a ls y s t e md e s i g n q u a l i t y k e yw o r d s ：a u t o n o m o u so n - o r b i ts e r v i c i n g ；s p a c e c r a f t ；q u a s i p r o b e - c o n ed o c k i n gm e c h a n i s m ；c o n t a c ta n dc o l l i s i o n ；s i m u l a t i o na n d a n a l y s i s 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表1 1 各种对接机构方案对比表1 0 表5 1 与初值常微分方程解算有关的指令表4 6 表5 2 对接系统的质量特性和惯量特性4 8 表5 3 对接机构的几何特性参数4 8 表5 4 仿真过程力学特性参数4 9 表5 5 横向位置偏差在对比仿真中的取值情况5 0 表5 6 横向位置偏差仿真结果数据表5 1 表5 7 径向相对速度初始取值表5 2 表5 8 径向相对速度影响情况仿真结果5 3 表5 9 横向对接速度初始条件取值表5 4 表5 1 0x 方向和y 方向的碰撞力峰值5 5 表5 1 1 位置及速度偏差综合仿真初始条件参数表。5 6 表5 1 2x 方向和y 方向上的接触碰撞力峰值5 6 表5 1 3 姿态角初始偏差5 8 表5 1 4x 方向和z 方向的碰撞力峰值结果5 9 表5 1 5 姿态角速度初始偏差6 0 表5 1 6x 方向和z 方向上的碰撞力仿真结果。6 1 表5 1 7 姿态角及姿态角速度综合仿真初始条件6 2 表5 1 8x 方向和z 方向的碰撞力峰值结果6 3 表5 1 9 各组仿真条件下缓冲系数的取值情况。“ 表5 2 0 缓冲力刚度系数和缓冲力阻尼系数影响情况仿真结果6 8 表5 2 1 各组仿真条件下的摩擦系数取值6 9 表5 2 2 摩擦因素影响特性的仿真结果数据7 0 表5 2 3 各组仿真条件下对接锥锥角大小7 1 表5 2 4 对接锥锥角的影响情况仿真结果。7 2 表6 1 圪、k ，以及缈在不同锥角下的仿真结果7 6 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图目录 图1 1 哈勃空间望远镜在轨维修2 图1 2 国际空间站在轨组装与维护2 图1 3 日本工程试验卫星7 3 图1 4 轨道快车计划一4 图1 5 传统锥杆式对接机构5 图1 6 异体同构周边式对接机构一6 图1 7 轨道快车直接捕获与对接方式一7 图1 8 机械臂辅助捕获软对接方式一7 图1 9 机械臂式对接机构8 图1 1 0 美国密歇根宇航公司的a s d s i i 9 图1 1 1a s d s i i 对接机构实物图9 图1 1 2 论文组织结构图之：1 4 图2 1 各种类型对接机构结构简图1 5 图2 2 主动侧对接机构1 6 图2 3 被动对接机构二：17 图2 4 坐标系定义18 图3 1 两航天器对接示意图2 8 图4 1 对接杆和对接锥发生碰撞接触示意图如3 7 图4 2 过对接杆中心轴以及碰撞接触点的截面i 3 8 图4 3 过对接锥中心线以及碰撞接触点的截面i i 3 8 图4 4 截面截取对接杆以及对接锥所得平面曲线3 9 图4 。5 对接杆中心轴和对接锥中心轴不共面情况：4 l 图4 6 碰撞接触点、对接球头球心以及对接锥中心线位置关系图4 2 图5 1 基于m a t l a b 的对接动力学仿真流程图4 7 图5 2 组织框架示意图4 8 图5 3 横向位置偏差示意图5 0 图5 4 横向位置偏差对接触碰撞力变化曲线的影响5 1 图5 5 碰撞力峰值随横向位置偏差的变化趋势5 2 图5 6 主对接速度对接触碰撞力变化曲线的影响5 3 图5 7 接触碰撞力的峰值随主对接相对速度的变化趋势图5 3 图5 8 横向相对速度对接触碰撞力变化情况的影响5 4 图5 9 碰撞力峰值随横向相对速度的变化趋势5 5 第v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图5 1 0 初始位置及速度偏差对接触碰撞力影响情况的综合仿真5 6 图5 1 1 位置及速度偏差综合影响情况下的碰撞力峰值变化趋势5 7 图5 1 2 偏航角偏差示意图5 8 图5 1 3 姿态角初始偏差对接触碰撞力变化曲线的影响5 9 图5 1 4 碰撞力峰值随姿态角初始偏差的变化趋势5 9 图5 1 5 姿态角速度初始偏差的影响情况仿真6 1 图5 1 6 接触碰撞力随姿态角速度初始偏差的变化趋势图。6 2 图5 1 7 姿态角及姿态角速度初始偏差对接触碰撞力影响情况的综合仿真6 3 图5 1 8 姿态综合仿真条件下接触碰撞力峰值变化趋势示意图6 4 图5 1 9 第一组条件下的结果变化曲线。6 5 图5 2 0 第二组条件下的结果变化曲线6 6 图5 2 l 第三组条件下的结果变化曲线。6 6 图5 2 2 第四组条件下的结果变化曲线6 7 图5 2 3 第五组条件下的结果变化曲线。6 8 图5 2 4 第六组条件下的结果变化曲线6 8 图5 2 5 摩擦因素影响情况仿真结果7 0 图5 2 6 静摩擦系数对系统动力学特性的影响趋势图7 0 图5 2 7 动摩擦系数对系统动力学特性的影响趋势图。7 1 图5 2 8 对接锥锥角对系统对接动力学特性的影响情况仿真结果曲线。7 2 图5 2 9 对接锥锥角对系统动力学特性的影响趋势图7 3 图6 1 碰撞过程中对接球头的运动轨迹示意图7 4 图6 2 经过单次碰撞进入捕获区的锥面构型示意图7 5 图6 3 碰撞后径向速度、横向速度以及转动角速度示意图7 6 图6 4 碰撞后角速度随对接锥锥角的变化关系及拟合误差。7 7 图6 5 碰撞后径向速度矿随对接锥锥角的变化关系及拟合误差7 7 图6 6 碰撞后横向速度矿，随对接锥锥角的变化关系及拟合误差7 7 图6 7 碰撞点处的锥角大小对反弹轨迹的影响情况示意图7 8 图6 8 对接球头相对被动侧捕获区的运动关系示意图7 9 图6 9 对接球头相对被动侧捕获区的运动过程示意图8 0 图6 1 0 锥角计算方法算例测试8 l 图6 1 1 对接锥型面设计示意图8l 图6 1 2 改进后的对接锥立体剖面图8 2 图6 1 3 改进效果示意图8 2 第v i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目：堑型娄堡拄蠢盟接扭掬鲍焦撞过猩金盘 学位论文作者签名： 垄! 丕日期：y 彳年，f 月形日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存，汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文题目： 堑型娄箜盘式盟撞扭麴鲍焦撞过猩金堑 学位论文作者签名：盘堡 日期：矿7 年，月髟日 作者指导教师签名：望塞名 日期：o 年，f 月“日 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 论文研究的背景与意义 从1 9 6 6 年美国第一次成功实现太空对接以来，空间对接技术作为航天技术的 一个重要发展方向，得到了快速发展。迄今为止，人类已经成功实现了近三百次 的空间对接任务【l 】。空间对接最早是用来进行载人飞行的一个重要部分，通过对接 航天员可以从一个飞行器转移到另一个飞行器。例如，前苏联航天员利用飞船与 空间站对接进入空间站，还有美国航天员在登月飞行中利用登月舱与“阿波罗 飞船对接进入飞船等【2 】。后来，随着空间技术的不断发展和应用需求的不断提高， 空间对接技术的应用领域也得到了不断扩展。实际上对于很多需要多个航天器参 与的任务，如大型航天器的在轨组装，轨道平台与空间站的补给，在轨空间站的 航天员替换，航天器的在轨维修，航天器的捕获与回收，在月球和行星探测返回 任务中在轨飞行器与着陆器的连接等，空间对接均已成为其中一项关键操作技术 3 1 。因此，空间对接技术成为了世界航天业的一个发展热点，不少国家都把空间对 接技术作为空间技术发展的一个重要课题加以研究。 2 0 世纪9 0 年代以来，随着遥操作、遥感知、人工智能、空间机器人、微电子 技术、微机械技术和纳米技术等高新技术的发展，现代航天器打破传统大型航天 器的分系统界限【4 】，采用全新的设计思想，强调功能密集、系统集成、结构轻巧、 性能良好以及科技含量高等等，这不仅使得其功能越来越强大，自主性和灵活性 越来越高，结构体积以及质量越来越小，而且使得其技术升级越来越频繁，对轨 道机动能力要求越来越高，造价越来越昂贵。随之而来，空间对接技术也有了新 的应用需求和发展特点： ( 1 ) 提升航天器的运行可用性 当航天器失效或耗费品用尽时，可以通过空间对接进行在轨更换失效组件或 补充耗费品【2 5 】。除了对失效组件进行更换外，通过空间对接的方式还能对轨道错 误或偏离的航天器进行辅助机动变轨，或对姿态错误的航天器进行辅助调姿，从 而提升航天器的在轨运行可用性。 ( 2 ) 增加航天器的可扩展性 通过空间对接的方式可以使航天器的规模扩展不再受到发射条件的约束，由 于当前运载发射条件对体积和重量的限制，许多大型航天器往往不能进行整星一 次发射。因此需要将其进行模块分解发射，再通过在轨组装完成航天器的配犁6 1 。 ( 3 ) 提高执行任务的灵活性 现代航天器都是基于特定的任务要求进行研制设计，比如用于特定范围的观 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 测或通信等【7 】。但照着技术的发展，在轨航天器的任务功能或技术可能变得落后过 时，性能降低。通过空间对接的方式对其进行推进剂补给或组件更换，则可适时 对其进行更新升级，保持航天器的任务灵活性和技术先进性【3 l 。 ( 4 ) 延长航天器的工作寿命以及降低全寿命周期费用 通过空间对接后的在轨服务操作可以对航天器失效或陈旧的组件进行替换升 级，对燃料、冷却剂、胶卷、电池等耗费品进行补给，从而有效延长航天器的工 作寿命例。除此之外，为了保证系统的可靠性，航天器设计中冗余设计一般要占到 3 0 的比重强删，而通过在轨服务操作可以使冗余设计的比重降低一半。然而，进 行在轨服务操作的前提就是要首先实现空间可靠对接。 有几个例子可以很好地说明空间对接技术这些新的特点： ( 1 ) 哈勃空间望远镜的在轨维修 圈l2 国际空阃站在孰组装与维护 国际空间站( i n t e r n a t i o n a ls p a c es t a t i o n ，l s s ) 在设计过程中就预先计划了在 第2 页 田骆科学技术大学研究生院硕士学位论文 轨组装等服务任务嘲。根据最初的计划，空间站的桁架系统都由标准杆件进行在轨 连接维装。但是在设计阶段，考虑桁架结构为空间站的基础结构，需集成多种光 缆、管路及各种接口，因此在地面进行组装，只有桁架的主要部分以及与加压舱 的连接部分进行在轨组装。i s s 的在轨组装与维护均首先通过航天器与空问站进行 空问对接，然后由航天员进行舱外操作或遥操作机械臂来执行完成。因此可以 说空间对接对于| s s 的在轨扩展起了重要的前提作用。 ( 3 ) 日本工程试验卫星7 图13 日本工程试验卫星一7 b 本是最早意识到在轨服务重要性的国家之一，为了掌握这一技术，于1 9 9 7 年发射了工程试验卫星7 ( e n g i n e e r i n g t e s ts a t e l l i t e n o7 ) ，用于在轨服务相关技术 的演示验证。e t v - v i i 的在轨服务试验内容包括：利用安装在机器人手臂前端 的摄像头对目标星进行监测：利用空间机器人手臂进行星上在轨可替换单元 ( o r b i t a lr e p l a c e m e n tu n i t ，o r u ) 更换；燃料补给以及桁架结构组装和天线装配 试验等【1 4 i 。为了保证上述试验内容的顺利完成。早在1 9 9 1 年e t v ，v i i 研制计划开 始之前就已开始着手空间交会对接技术的研究。e t v v i i 交会对接试验包括发射、 轨道转移、相对靠近、最终逼近、对接等五个阶段，验证了无人自主交会对接的 全过程【”i 。 ( 4 ) 轨道快车计划 轨道快车( o r b i t a le x p r e s s ，o e ) 计划是美国1 9 9 9 年1 1 月提出的一项较为完整 的在轨服务体系演示验证计划，主要用于研发支持未来美国国家安全和商业应用 的在轨服务技术i l ”。2 0 0 7 年3 月，该项目进行了飞行试验在轨成功地进行了电 源和姿控计算机在轨可替换单元( o r u ) 的在轨更换，以及燃料的直接传输综 合演示验证了无人自主在轨服务的各项内容，这一事件标志着自主在轨服务已经 突破主要的关键技术，并即将走向工程实用嘲。轨道快车计划由能够为卫星提供在 轨服务的服务航天器( a u t o n o m o u ss p a c et r a n s f e ra n dr o b o t i co r b i t e rv e h i c l e ， a s t r o ) 和可升级、可维修的目标星( n e x tg e n e r a t i o no fs a t e l l i t e ，n e x t s a t ) 两 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 部分组成演示验证内容包括自主对接、在轨加注、部件更换维护等多项关键技 术用，其中自主对接被作为首要关键技术进行了首先研究。 图14 轨道快车计划 不难预测，随着2 l 世纪人类在空间领域的不断突破和飞速发展人类对空间 对接技术的依赖将越来越强，并且空间对接机构的发展也将变得日趋小型化、通 用化、自主化和多样化1 1 3 ，”】。因此，有理由相信从现在开始逐步加强我国空间对 接技术的研究是具有很强的现实意义的，这不仅是我国为发展航天技术必须解决 的一项关键技术，而且也是为占领未来空阃技术发展制高点的必然要求。 空间对接技术的研究在我国才刚刚起步，其中有许多问题是以前从未碰到过 的。比如为满足航天器未来发展需求的新型对接机构的结构设计研究；综合考虑 接触、碰撞、摩擦、间隙、缓冲、初始条件以及对接机构的结构布局等各种影响 因素的动力学建模与仿真研究等等【2 】。基于以上问题，本文将针对满足未来新型航 天器应用需求的空间对接机构具体形式进行分析，并以对接动力学的一些基本原 理为依据，建立空间对接过程的运动学和动力学模型。其次，运用现代计算机仿 真工具对空间对接过程中的一些关键问题进行仿真研究，并对仿真结果进行认真 分析。通过本论文的研究，将为提高航天器空间对接机构的设计水平提供有效的 方法和手段，并将对我国空间对接技术的发展提供新的参考。 12 1 空间对接机构概述 1 2 空间对接机构 空间对接机构是用来实现航天器之问多次对接、保持连接与可靠分离的复杂 机构瑚，一般包括成对出现的两个组件，其中参与捕获、缓冲、校正、拉紧、连 接到分离等全程所有操作的对接组件被称为主动组件，配合主动组件完成对接与 分离操作的组件被称为被动组件，既可作为主动组件又可作为被动组件的对接机 第4 页 田防科学技术大学研究生院硕士学位论文 构被称为异体同构型对接机构。 采用空阃对接机构的主要原因是因为航天器测量与控制系统难以使两个航天 器以很高的相对位置和姿态精度进行相互接近和对接，必须借助对接机构补偿初 始位置和姿态偏差并最终实现航天器间的精确对接和剐性连接。 空间对接机构不仅能够将两个航天器刚性地连接成一个轨道复合体，而且还 能用来实现航天器之问的电路、气路以及液路等的连接，从而为完成对接航天嚣 的设备维修、部件更换、燃料加注、人员轮换、物资运送以及应急救生等任务奠 定基础”。 空间对接机构种类繁多，工作原理复杂，按照不同的分类标准可以分为很多 种类型。根据使用要求的不同可以分为精确的刚性连接以及在相对位移比较大时 使用的非刚性连接两种，按布局方式的不同则可咀分为中心布局以及周边布局两 种形式，若按机构的驱动方式的不同还可分为气液驱动以及机电驱动两种形式【”1 。 下面本节主要按照时间先后顺序来进行划分，可以划分为传统对接机构和新型对 接机构两种类型。 12 2 传统航天器对接机构 ( 1 ) 锥一杆式 “锥- 杆”式对接机构是前苏联研制的最早的对接机构，出现于1 9 6 7 年1 2 1 。前 苏联对这种机构进行了不断的改进，已成功应用于载人飞船、载货飞船以及空间 站模块舱与空间站的对接，技术比较成熟1 2 ”。这种对接机构由分别安装在主动航 天器和被动航天器上的主动件和被动件构成。在主动件的通道盖上装有能够伸缩 的传动机构连接杆( 如图15 左侧所示) ，被动件的盖子上设计有接纳锥( 如 图l5 右所示) ，两者配合完成对接1 s , 2 2 l 。 圈15 传统锥杆式对接机构 ( 2 ) 异体同构周边式 美国和前苏联均已实现该类对接机构，如：a p a s 7 5 应用于1 9 7 5 年美国“阿 波罗”号与苏联“联盟”号的对接任务中；a p a s 8 9 ( a p a s 7 5 的改进版) ，应用 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 于俄罗斯航天飞机与“和平”号空间站及国际空间站的对接【2 弘2 5 j 。 异体同构周边式对接机构( a p a s ) 最初由美国和前苏联专家共同研制成功。 它的主要优点是：追踪航天器和目标航天器采用构型完全一样的对接机构，因此 无主动和被动之分；对接机构的所有部件均放置在周边，将航天器的中心位置留 出来作为过渡通道【2 1 。这种机构有带三个导向片的对接环和并联式差动缓冲机构， 通过装在导向片上的三个捕获锁实现捕获。对接框和对接锁完成密封连接，两个 彼此接触的橡胶密封圈保证对接处的密封。在“联盟号 的a p a s 中，俄罗斯发 展了“差动式机电缓冲阻尼系统 ，在此基础上研制了用于国际空间站的a p a s 8 9 式对接机构，已经用于国际空间站的装配和航天飞机的对接( 如图1 6 所示) 【5 j 。 图1 6 异体同构周边式对接机构 1 2 2 新型航天器对接机构 新型航天器对接机构的研制是随着无人自主在轨服务技术的发展而逐步展开 的，无人自主在轨服务包括对己方航天器提供在轨加注、在轨维修、模块更换升 级等服务，以及协助己方航天器进行主动防护，担任在轨营救飞行器等任务 2 6 1 。 其中，在轨加注、在轨维修、模块更换升级等操作都是在服务航天器与目标航天 器完成对接后才能进行的，因此成功实现自主对接是进行无人在轨服务的首要前 提，研制新型航天器对接机构也成为了发展在轨服务技术的核心关键之一。 目前，国外研制的新型航天器对接机构主要包括电磁式对接机构、冠状锁紧 式对接机构、基于m e m s 技术的微型作动器阵列对接系纠2 7 j 、三叉式对接机构、 机械臂式对接机构以及类锥杆式对接机构等多种类型。 在这些新型对接机构中，电磁式对接机构是专门针对球形微型航天器对接和 加注试验而设计的，对于其他航天器而言由于很难屏蔽电磁干扰，因此并不具有 通用性。冠状锁紧式对接机构必须根据目标卫星的远地点发动机喷管喉部结构定 制，同样也不能重复使用。基于m e m s 技术的微型作动器阵列对接系统能够大大 简化传统对接过程中用于接近阶段位置与姿态对齐的高精度复杂测量控制系统， 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 但是由于该系统的对接位鬻精确调整是由纤毛作动器阵列完成，则该阵列的准确 控制以及对接状态的测量也会相应具有一定的复杂性。同时，由纤毛作动器完成 对接卫星位置调整所需时闻是否满足对接过程的要求也有待考察。因此，目前实 际上只有三叉式对接机构、机械臂式对接机构以及类锥杆式对接机构具有较强的 通用性，适宜于大部分新型航天器的无人自主在轨服务需求。 下面将分别对这三种对接机构予以介绍： ( 1 ) 三叉式对接机构 “轨道快车”计划中采用三叉式对接机构作为主动航天器与被动航天器的捕 获对接装置。在对接过程中，主动星对目标星的捕获对接有两种方式l 喊7 1 ： 直接捕获与对接方式，即追踪星机动到对目标星的捕获包络线区域内，然后 保持位置和姿态不变，直到三叉形对接机构启动，把两颗卫星连接在一起，如图 l7 所示； 团17 轨道快车直接捕获与对接方式 b 自由飞行机械臂捕获软对接方式，即首先通过机械臂捕获目标星，然后收缩 机械臂将其拉近，最后启动对接机构，把两星连接在一起，如图1 8 所示 圉l8 机械臂辅勘捕获软对接方式 对接机构的主动件由顶部平板和作动机构箱体组成。箱体中包括由电机、滚 珠丝杠、轴承等组成的驱动装置，三个抓钩固定于连接在滚珠丝杠上的活塞上。 接口间的对齐连接通过两组装冠完成：一是带有阻尼系统的碰锁杆系统二是连 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 接探针系统。三个碰锁杆的弹簧压紧装置使其插入被动件的对齐插口中，完成初 步的对齐与连接，再由锥形连接探针系统完成刚性连接【2 8 】。通过以上这种构型方 式，可以使对接过程能够稳定完成直至获得最终对接状态。 被动件构型为开有三个楔形开口的三叶形，每个楔形面都向内收拢于中心开 槽中。三个叶片结构对接端均装有对接面，该面同时作为作用力唇缘，以保证抓 钩能够在被动件上有作用力点以将其拉向主动件，被动件几乎没有活动部件。 总之，该方案通过采用最少的机械结构和通用可靠技术( 电机、丝杠和抓钩 系统) 实现了较强的捕获对接功能，基本实现了o e 提出的低成本高可靠通用自主 对接技术的研究目标。 ( 2 ) 机械臂式对接机构 采用机械臂式对接机构最为典型的是日本工程试验卫星7 ( e t v v i i ) 计划， 机械臂安装在卫星平台的外部【2 9 1 。在火箭发射阶段，机械臂是折叠在一起并通过 锁紧机构固定在卫星平台上。入轨后锁紧机构解锁释放机械臂。机械臂在火箭发 射阶段会受到很强烈的振动，入轨后机械臂又暴露在空间热环境中，所处环境十 分恶劣。因此将力力矩传感器安装在第六节臂和末端受动器之间，以满足入轨时 的振动环境和空间热环境要求。 g 嘞i e 鼬 图1 9 机械臂式对接机构 机械手对目标星的具体捕获过程如下：第一步，相对较快的合拢手指直到手 指之间能形成闭合区域以快速捕获目标。第二步，慢慢合拢手指，使得两物体之 间能达到刚性连接而不给卫星和操纵器带来额外的负载。在捕获目标的时间内， 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 地面不对追踪星进行姿态控制，这是为了避免在相互接触期问姿态控制引起多余 动作对捕获造成负面影响。 ( 3 ) 类锥杆式对接机构 美国密歇根宇航公司m