（力学专业论文）周边式对接机构对接动力学仿真.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 交会对接( r v d ) 是进行空间组装、空间救援、深空探测等的必要技术，也 是我国载人航天第二步战略的关键技术，而建立交会对接仿真系统是深入研究交 会对接技术的重要途径。本文以交会对接仿真系统研制为背景，研究了带有周边 式对接机构的航天器对接动力学问题，并开发了对接动力学仿真系统( d d s s ) 。全 文的工作包括以下几个方面的内容： 1 建立了周边式对接机构的复杂几何外形的数学描述，描述了对接初始条件 范围内，两对接机构相互接近、捕获过程中可能出现的2 0 种设计接触模式，并针 对初始接触点首次提出2 0 种非设计接触模式；利用计算机图形学中可见面判别的 z 缓冲算法原理，给出了所有接触模式的检测算法，该算法的仿真结果与辅助向 量法高度一致，验证了算法的有效性；进行了3 0 0 组确定首次接触点的随机仿真， 统计结果表明，在飞船上实时进行非设计接触模式的预测是非常重要的。 2 用牛顿- 欧拉法分别建立了对接过程各阶段的相对动力学方程。其中缓冲系 统采用六个自由度上的等效弹簧阻尼模型，碰撞力采用非线性弹簧模型，以连续 力的方式作用。另外还建立了分离段的作用力模型。 3 对捕获段对接动力学方程组的求解难点进行分析，给出了变步长策略以及 求解算法，并给出了整个对接过程的求解流程图；分析了对接动力学仿真系统的 需求和设计原则，描述了系统的基本结构和模块划分，并对软件功能进行了介绍。 4 建立了捕获段与缓冲段的a d a m s 仿真模型，其中对接机构采用精确的实 体三维模型，缓冲力模型同上，接触力采用a d a m s 软件提供的的i m p a c t 模型。 整个仿真模型包括实体、作用力、测量、传感器以及仿真脚本等。 5 对各种对接初始偏差，分别用a d a m s 与d d s s 进行了大量的仿真研究： ( 1 ) 考察了接触点处库仑摩擦力对仿真结果的影响；( 2 ) a d a m s 与d d s s 对比分析 结果相互验证了模型及算法的正确性。( 3 ) 大量的仿真结果反映了对接机构有较好 的捕获能力；( 4 ) 进行了最小纵向接近速度分析与最小推力分析。 本文的研究工作较好的解决了对接动力学的仿真问题，开发的对接动力学仿 真软件在交会对接仿真系统中得到了重要的应用。 主题词：空间对接；对接动力学；对接仿真；周边式对接机构；a d a m s ；软 件设计 第i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t r a c t r e n d e z v o u sa n dd o c k i n gt e c h n o l o g yi se s s e n t i a li ns p a c e a s s e m b l y ，s p a c e s u c c o r ， o u t e rs p a c e e x p l o r a t i o na n ds oo n ，a n di sa l s oak e yt e c h n o l o g yo ft h es e c o n ds t e po f c h i n e s em a n n e ds p a c e f l i g h t b u i l d i n gr e n d e z v o u sa n dd o c k i n gs i m u l a t i o ns y s t e mi sa n i m p o r t a n tw a yf o rs t u d y i n gr e n d e z v o u s a n dd o c k i n gt e c h n o l o g y b ye m p l o y i n gt h e d e v e l o p m e n to ft h er v d s i m d a f i o ns y s t e ma st h er e s e a r c hb a c k g r o u n d ，t h em a i nw o r k o ft h i sd i s s e r t a t i o ni st os t u d yt h ed o c k i n gd y n a m i c so fs p a c e c r a f tw i t hp e r i p h e r a l d o c k i n gm e c h a n i s m sa n dt od e v e l o pt h ed o c k i n gd y n a m i c ss i m u l a t i o ns y s t e m ( d d s s ) t h em a i na c h i e v e m e n t so b t a i n e di nt h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s 1 m a t h e m a t i c a ld e s c r i p t i o n so ft h ec o m p l e xs h a p eo fd o c k i n gm e c h a n i s m sa r e e s t a b l i s h e d 2 0k i n d so fd e s i g n e dc o n t a c tp o i n t s ，w h i c he x i s tw h e nt h ec a p t u r et i n g s a p p r o a c ha n dc a p t u r ee a c ho t h e r , a r eg i v e n a n o t h e r2 0k i n d so fn o n d e s i g n e dc o n t a c t p o i n t sa r eg i v e nf o r t h ef i r s tt i m e c o n t a c td e t e r m i n i n ga l g o r i t h mo fa l lt h ea b o v e c o n t a c tt y p e si sg i v e nu s i n gz - b u f f e ra l g o r i t h mf o r3 - do b s e r v a t i o n ，a n ds i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wh j i g ha c c o r d a n c ew i t hr e s u l t so fv e c t o r - a s s o c i a t e dm e t h o d s i m u l a t i o nf o r n o n - d e s i g n e dc o n t a c tm o d ew i t hr a n d o mi n i t i a lc o n d i t i o n sh a sb e e nd o n et o o ，a n d s t a t i s t i c sf r o mt h es i m u l a t i o ni n d i c a t e st h a ti t i s i m p o r t a n tt op r e d i c tn o n d e s i g n e d c o n t a c tp o i n t si np r a c t i c a lr v de f f o r t s 2 r e l a t i v ed y n a m i c se q u a t i o n so fs p a c e c r a f ta n dd o c k i n gm e c h a n i s mf o re a c h p h a s eo ft h ed o c k i n gp r o c e s sa r eb u i l tb yn e w t o n e u l e rm e t h o d i nt h ee q u a t i o n s ，t h e b u f f e rs y s t e mi ss i m p l i f i e da sa6 - d o f s p r i n g d a m p e rm o d e l c o n t a c tf o r c ei st r e a t e da s an o n l i n e a rs p r i n ga n da c ti nac o n t i n u o u sw a y s e p a r a t i o nf o r c ei sm o d e l e da sw e l l 3 s c h e m eo fv a r y i n gi n t e g r a t i n gs t e p sa n di n t e g r a t i o na l g o r i t h ma r eg i y e na f t e r a n a l y s i z i n gt h ed i f f i c u l t i e so fs o l v i n gt h ec a p t u r ep h a s ed y n a m i c se q u a t i o n s ，a n dt h e f l o wc h a r to ft h ew h o l ed o c k i n gp r o c e s ss i m u l a t i o ni sg i v e n ；t h en e e da n dd e s i g n p r i n c i p l e so ft h ed o c k i n gd y n a m i c ss i m u l a t i o ns y s t e mi sa n a l y z e d ，b a s i cs t r u c t u r ea n d m o d u l e so ft h es y s t e ma r ed e t a i l e d ，a n dt h es o f t w a r ei sd e m o n s t r a t e d 4 s i m u l a t i o nm o d e lf o rc a p t u r ea n db u f f e rp h a s ei sb u i l tb a s e do na d a m s s o f t w a r e ，i nt h em o d e l ，c a p t u r er i n gi sa c c u r a t e l yb u i l tw i t hf u l lc o n s i d e r a t i o no fa c t u a l g e o m e t r i c a lf e a t u r e ，b u f f e rs y s t e mi sm o d e l e dt h es a m ea st h a to fd d s s ，a n da d a m s i m p a c tm o d e l i sa d o p t e d t h ew h o l em o d e lc o n t a i n sp a r t s 、a p p l i e df o r c e 、m e a s u r e s 、 s e n s o r s 、s i m u l a t i o ns c r i p ta n ds oo n 5 n u m e r o u ss i m u l a t i o n sa r ed o n ew i t hd i f f e r e n ti n i t i a ld o c k i n gm i s a l i g n m e n tb y a d a m ss o f t w a r ea n dd d s s ：( 1 ) i n f l u e n c eo ft h ec o n t a c tc o l u m b u sf r i c t i o nt o s i m u l a t i o nr e s u l t si si n s p e c t e d ；( 2 ) a d a m sr e s u l t sa r cc o m p a r e dw i t ht h a to fd d s s ， b o t ht h er e s u l t sv a l i d a t ee a c ho t h e r ；( 3 ) s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wg o o dc a p t u r ea b i l i t yo f 第i i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 t h ed o c k i n gm e c h a n i s m ( 4 ) m i n i m a ll o n g i t u d i n a la p p r o a c hv e l o c i t ya n dm i n i m a lp u s h f o r c ee n s u r i n gs u c c e s s f u lc a p t u r ei ss t u d i e d t h ew o r ki nt h et h e s i sh a sw e l ls o l v e dt h ep r o b l e mo fd o c k i n gd y n a m i c ss i m u l a i o n a n dt h ed o c k i n gd y n a m i c ss i m u l a t i o ns o f t w a r eh a sb e e nu s e da sap a r to ft h er v d s i m u l a t i o ns y s t e m k e yw o r d s ：s p a c ed o c k i n g ；d o c k i n gd y n a m i c s ；d o c k i n gs i m u l a t i o n ；p e r i p h e r a l d o c k i n gm e c h a n i s m s ；a d a m s ；s o f t w a r ed e s i g n 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 表目录 表2 - 1 接触检测仿真结果 表5 1 接触模式的定义 表6 - 1 两对接飞行器以及主动对接环的质量特性， 表6 2 对接机构参数表。 表6 3 缓冲系统等效参数 表6 4 五组典型对接初始条件 表6 5 仿真软件的首次接触情况及捕获校正时间： 表6 - 6a d a m s 模型的首次接触情况及捕获校正时间 表6 7 对接初始偏差对组合体与轨道初始夹角影响 表6 8 单一初始偏差下的最小纵向接近速度 表6 - 9 单一初始偏差下的最小主推力分析 第1 v 页 m勰盟观舄船巧铬“鹋臼 国防科学技术大学研究生院学位论文 图目录 图1 - 1 近地轨道交会对接飞行程序 图1 - 2 典型对接机构外形及结构 图1 3 空间对接六自由度半物理仿真的原理图 图2 - 1 坐标系定义立体示意图 图2 2 主、被动捕获环体坐标系定义及相关编号 图2 - 3 设计接触模式检测判断示意图 图2 4 非设计接触模式检测判断示意图 图2 5 第一组初始条件下两种接触检测算法比较 图2 - 6 第二组初始条件下两种接触检测算法比较 图2 7 首次接触点检测仿真流程图 图3 - 1 刚体上点的位置矢量 图4 1 对接全过程仿真流程图一 图4 2 对接仿真系统基本结构图 图4 3 仿真参数设置界面 图4 4 仿真运行时主界面 图4 5 输出结果的后处理 图4 - 6 对接仿真系统分布式仿真流程 图5 1 模型参数化 图5 2 捕获环几何模型 图5 3 系统a d a m s 仿真几何模型 图5 4 阻尼系数随嵌入深度变化曲线 图5 5 库仑摩擦模型 图5 6 接触力的定义 图5 7 缓冲力模型定义 图6 - 1 第一组初始条件下对接仿真软件的仿真结果 图6 2 第一组初始条件下a d a m s 的仿真结果 图6 3 第二组初始条件下对接仿真软件的仿真结果 图6 - 4 第二组初始条件下a d a m s 的仿真结果 图6 5 第一组初始条件下a d a m s 模型中摩擦力对捕获过程的影响 图6 - 6 第三组条件下对接仿真软件的仿真结果 图6 7 第四组条件下对接仿真软件的仿真结果 第v 页 oo”m他加挖巧卯拍鸲轴甜叭钙铂盯铝钙钞跖卯册”n酡 | ： 一 ：| ：| 一 一 ” 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 ” 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 国防科学技术大学研究生院学位论文 图6 。8 第五组条件下对接仿真软件的仿真结果6 3 图6 - 9 第一、二组条件下缓冲阶段的仿真结果6 4 图6 1 0 分离段两飞行器质心相对运动规律6 4 图6 1 l 最小纵向接近速分析6 7 图6 1 2 捕获时间与纵向接近速度的关系6 8 图6 1 3 捕获时间与主推力大小的关系6 9 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 。旦垫煎盘接扭塑殖接型左堂盘袅 学位论文作者签名：鱼：! ：s 厄日期：工j a f 年月，6 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：围垫盎盘接扭拉盘接盘左堂篮熹 学位论文作者签名：盈：! ! 主荭日期：助4 ，年f 月邝日 作者指导教师签名：兰奎瘟螫 日期：西年jj 月膨日 国防科学技术大学研究生院学位论文 1 1 1交会对接概念和作用 第1 章绪论 1 1 课题背景 空间交会对接是发展载人航天必须要考虑和解决的一项关键技术，包括两部 分相互衔接的空间操作：空间交会和空间对接，英文缩写为r v d ( r e n d e z v o u sa n d d o c k i n g ) 。所谓交会是指两个飞行器，其中一个是目标航天器( 即被动追踪航天器) ， 不作任何机动，在已知轨道上稳定的飞行，另外一个为追踪航天器，执行一系列 的轨道机动，与目标航天器在空间轨道上按预定位置和时间相会，交会过程通常 分为如下几个阶段：地面导引，自动寻的，最后接近以及逼近操作。所谓对接是 指在完成交会后，两个飞行器在空间轨道上接近、接触、捕获和校正，紧固连接 成一个复合的飞行器整体以及最后分离的过程。 指向地球 图1 1 近地轨道交会对接1 毛行程序 交会对接技术在以下几个方面起着关键作用： ( 1 ) 航天员定期轮换，航天器燃料、食物、原材料补充以及仪器更换维护； ( 2 ) 在运载火箭推力有限的情况下，通过多次发射在轨组装的方式组建空间站 等大型航天器： ( 3 ) 实施卫星在轨维护，以延长飞行器使用寿命； ( 4 ) 对飞行轨道上发生事故的宇航员实施空间营救； ( 5 ) 深空探测的支持技术。 8 0 年代以来，美国航天飞机用交会对接技术，辅以遥控机械臂及宇航员在舱 篇1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 外作业相配合，已成功追踪、捕获并回收了两颗出故障的通信卫星，使之重新恢 复工作，其经济效益为几亿美元。1 9 9 0 年航天飞机用交会和接近技术又成功回收 了一颗1 0 t 重的长期暴露在空间的军事卫星。1 9 9 3 年1 2 月美国用航天飞机在太空 维修“哈勃”空问望远镜，极大的改善了这个价值连城的太空“巨眼”的功能， 增加了它的寿命。航天飞机以这种交会、接近和回收技术可以有效营救许多有价 值的出故障卫星，经济效益是非常可观的阱1 。 由于运载能力的限制，大型空间建筑无法一次发射升空，利用对接技术，可 以在空间装配大型空间站、进行复杂空间作业。如“和平号”空间站是由六个模 块舱在空间对接而成，正在建造的国际空间站则将对接，装配成4 0 0 吨的空问庞 然大物。通过航天器的在轨装配( 对接) ，可以克服运载器运输能力的限制，大大扩 展人类空间活动的范围和规模。 近年来对接机构的应用又有了新的发展方向，卫星等无人飞行器也开始进行 对接研究，并取得很大成果。 研制卫星用对接机构，目的是使卫星应尽可能长时间的维持有效和稳定的运 动轨道，以延长在轨寿命，降低更替频率。同时，卫星需要具备变轨能力以使其 不易受到攻击，能够为观察新的敏感地区重新定位，或减少对全球覆盖卫星群的 需求。此外，由于发射成本及重量所限，要求卫星具有在轨服务功能，完成在轨 燃料加注，利用自动负载处理系统更换卫星受损元件或补充耗费品等任务。卫星 用对接机构将大大扩展卫星的应用范围和使用灵活性。目前世界各国都在积极开 展这项工作。日本的e t s - v i i 卫星所采用的软撞击对接机构已经进行了飞行试验， m i c r o s a t s 小卫星交会对接机构，用于轨道快车计划的a s d s 的对接机构和 c o m e t 自动交会对接试验在研制过程当中。 1 1 2 课题背景 1 9 9 2 年1 月8 日，中央专委做出“从政治、经济、科技、军事等诸方面考虑， 立即发展我国载人航天是必要的”的决定，1 9 9 2 年8 月中央专委原则确定我国载 人航天分三步走的发展战略：第一步的任务是以飞船起步、发射几艘无人飞船和 一艘有人飞船，将航天员安全地送入近地轨道，进行适量的对地观测及科学实验， 并使航天员安全返回地面，实现载人航天的历史突破；第二步除继续进行对地观 测和空间实验外，重点完成交会对接( r e n d e z v o u sa n d d o c k i n g ，r v d ) 、出舱活动 ( e x t r a v e h i c u l a r a c f i v i t y ，e v a ) 试验和发射长期自主飞行、短期有人照料的空间 实验室，尽早建成我国完整配套的空间工程大系统，解决我国一定规模的空间应 用问题：第三步是建造更大的长期有人照料的空间站。 随着我国载人飞船神舟五号于2 0 0 3 年1 0 月1 5 日发射成功，以及今年十月份 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 神舟六号的成功发射与返回，预示着第一步目标已经实现，第二步目标成为我国 当前载人航天工程的重中之重，预计将在神舟七号实现出舱活动，在发射神舟八 号时进行交会对接活动。要实现第二步目标，必须进行空间交会对接关键技术攻 关，并且需要建立地面仿真综合实验室，以提供技术支持、产品检验和飞行任务 支持，仿真综合实验室需要建立交会对接全过程的仿真软件系统，本文的工作即 是要进行对接动力学仿真研究，并研制该仿真系统中的对接仿真子系统。 1 2 空间交会对接技术发展概况 1 2 1 空闻交会对接活动概述闭 随着航天技术尤其是载人航天技术的发展，空间对接技术得到了迅猛发展和 广泛应用，实际上，上世纪6 0 年代到7 0 年代不但奠定了轨道对接理论，而且使 空间对接技术成为航天技术的一个重要方面，空间对接机构也成为大部分载人航 天器的一个独立的重要分系统。 1 9 5 7 年。前苏联发射了第一颗人造地球卫星，从此开创了人类征服宇宙的新 纪元。在此之后的第一个十年末，前苏联首次完成了在轨对接试验。t 9 6 7 年1 0 月， “宇宙一1 8 6 ”和“宇宙一1 8 8 ”两个无人航天器首次用对按机构在空间实现了自动对 接h ，5 1 。 随后的十年，以空间对接技术的发展提高和广泛应用为标志，首先是前苏联 的“联盟4 一联盟5 ”、“联盟礼炮”实现对接；美国首次实现“阿金娜一双子星”， 接着是“阿波罗登月舱- 指令舱”、“阿波罗天空实验室”的对接：随后美苏又实现 了“联盟- 阿波罗”空间对接和联合飞行。这些对接活动的完成，不但证实了宇宙 学奠基人k 。茹科夫斯基关于实现空问对接的广泛前景的预言，通过实践验证并 发展了航天专家关于实现空间对接可能性、方法和技术途径的概念。 大型空间组合体“联盟- 礼炮一进步”的建造和应用，代表了对接技术达到一个 新的水平。由于采用了新型的对接机构系统，使两个航天器不仅能够刚性联接成 长寿命轨道站，而且能形成密封通道和相互电流连通，通过运输船和轨道舱，为 长期有效的使用大型轨道组合体提供了极大的可能性。 苏联的第一个对接机构系统分别是为“联盟号”和“双子星座”飞行舱建造 的。在苏美第一批对接机构设计中，它们的结构没有形成两个航天器之间的密封 过度通道但是已使用了各种形式的机构。联盟飞行舱在接近对接过程中，不仅可 以实现完全自动控制，而且也可以由宇航员操作进行，而“双子星座”飞行舱在 接近和对接过程中，宇航员必须参与控制过程。这样就形成了美苏两国不同的对 接技术方案。 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 “联盟礼炮”对接飞行与“阿波罗”登月计划的实现，使空间对接技术的发 展又前进了一大步。一系列技术在问题在原理上得到了解决，并研制成功带有密 封过渡通道的对接机构。在“联盟一礼炮”对接方案中，采用“椎一杆”式对接机构 系统完成了对接操作，其中，带杆子的对接机构起主动作用，安装在追踪飞行器 上，而带有接纳锥的对接机构安装在目标飞行器上是被动式的。 在执行“联盟一阿波罗”联合飞行计戈i j ( a s t p ) 时，美苏两国的科技机构专家决 定研制一种原理上新颖和彼此相容的新型对接机构异体同构周边式对接机构( an a c ) ，它可以用于国内和国际间的空间对接计划，必要时还可用来完成轨道救生任 务。 前苏联在1 9 8 6 年发射了新一代具有6 个对接口的“和平号”空间站的核心舱 m j ，经组装扩展建立了长期载人空间站，该空间站于2 0 0 3 年3 月2 3 日坠毁，持续 运行了1 5 年，超期服役l o 年之久，在1 5 年间，有1 2 个国家的1 0 0 多名宇航员 相继登站，创造了无数的成就，但也事故频出，多达1 5 0 0 次。尤其是1 9 9 5 年6 月2 9 日美国亚特兰蒂斯号航天飞机与和平号空间站的对接成为有史以来轨道上装 配的最大航天器【7 】，这次对接由于航天飞机的质心和对接机构的纵轴不重合，致使 对接接口处航天飞机的有效质量大大减少从而使对接工作变得复杂，对对接初始 条件提出了很高的要求，例如角度误差不得超过2 度距离误差不得超过7 5 厘米， 这次对接的成功标志着对接技术进入了一个新的发展水平。 当前正在建设的阿尔法国际空间站采用间接停泊方式，它将需要对接的航天 器分别停泊在空间站附近的预定位置，然后由空间站移动运输服务中心的机械臂 伸出去抓获，按设备组装方式进行对接。这样就避免了交会对接过程中与空间站 发生任何碰撞现象。为此进行对接的航天器需要解决向空间站附近预定地点停泊， 并且保持住航天器与空间站相对位置和姿态。由于空间站机械臂长度有限( 只有 1 0 多米) ，而进行对接的航天器和空间站结构复杂，结构外形和质心在不断变化， 规模在逐步扩大，为此停泊时需要高精度保持位置和姿态稳定，这也是一个关键 控制问题。为验证航天飞机和空间站对接的方案，研究航天飞机靠近空间站的途 径，降低技术风险，在1 9 9 4 年到1 9 9 8 年间，美、俄两国完成了航天飞机和俄罗 斯和平号空间站的9 次对接飞行。 另外，日本自从2 0 世纪7 0 年代初就开始航天器的空间交会对接技术研究， 也立足于实现高精度自主自动的在轨交会对接，并且在1 9 9 8 年7 月和8 月先后两 次成功地进行了“工程试验卫星”无人自动交会对接怫9 】，成为世界上第三个实现 空间交会对接的国家。 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 1 2 2空间交会对接发展趋势 从过去的空间交会对接实践来看，可以看山今后交会对接活动的发展趋势i l 0 “l 为： 1 ) 随着空间技术的不断发展，空间探索越来越频繁，空间对接将变成例行公 事和通常的在轨操作技术，这就对对接操作的规范化、可靠性以及稳定性提出了 新的要求，另外从美苏的经验来看，宇航员直接操作交会对接往往要花费他们许 多宝贵的时间，从几小时到几天，劳动强度很大，而且利用宇航员目视对接操作 的窗口还受到光照条 牛的严格限制。与自动r v d 装置相比，人工实现r v d 既不 快也不可靠。 2 ) 由于太空探索的风险性，很多时候并不希望有人参加，人的参加会大大增 加航天任务的成本，而且，对于空间环境等科学实验，人的活动会带来实验效果 的降低，这些任务也不希望有人在上面，另外，对于各种应用卫星，通信平台在 轨装配等任务，则只能通过自动的方式进行。因此大力发展自动交会对接是空间 对接技术发展的重要方向。 3 ) 交会对接技术如果不能自主进行，则需要分布很广的地面站或中继卫星。 这些对对接的实施增加了很多约束，并且在经济上和管理上都要付出巨大的代价， 因此发展自主对接技术也是将来重要研究内容。 4 ) 由于利用碰撞力的方式实现对按往往需要体积庞大，结构复杂，质量较高 的对接系统，这对于发射成本的降低以及对接成功的可靠性都是不利的，因此未 来必须大力发展软对接技术，通过提高对接初始条件的限制，从而降低对接系统 的体积和质量，而微电子、光学成像、信息技术以及控制等技术的发展将使之成 为可能。 5 ) 从当今航天事业发展的趋势看，因航天事业耗资巨大，单凭一国之力显得 力不从心，必须开展国际合作，充分利用国际上的资源和力量。为了各个国家能 够共同合作，必须研究国际标准的交会对接技术。事实上，美、日、西欧等国在 决定建立国际空问站之前，就已经着手开发国际标准的交会对接技术并取得了一 定成果。 1 3 对接机构以及对接仿真技术 1 3 1 对接机构发展概述 1 2 , 1 3 1 对接机构是空间飞行器实现刚性联接与联合飞行的关键部分。历史上前苏联， 美国，欧洲及日本均发展了自己的对接机构技术。下面作简单概述，对接机构的 外形以及结构见图1 2 。 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 一、“联盟号”飞船的对接机构系统： 这个对接机构系统采用“杆一锥”式结构，是前苏联首次用于轨道飞行对接试 验的结构组合。1 9 6 7 年“宇宙1 8 6 ”和“宇宙1 8 8 ”无人飞行器首次使用这个对接 机构系统实现了自动对接。后来该机构又用于“联盟- 4 ”，“联盟一5 ”上，其具有以 下几项功能：1 ) 能够在设计所要求的初始条件下，实现航天器的多次对接；2 ) 实 现了飞船之间的通信联系；3 ) 实现多次分离，利用对接机构的弹射和释放被动对 接机构一边圆柱槽的支承，进行备用分离。该对接机构在缓冲系统中首次成功使 用了机电式阻尼器为对接技术的发展迈出了关键的一步，但是该对接机构没有 装备密封的过渡通道，所以宇航员要从一个航天器进入另一个航天器，只能从舱 外通过。该对接机构现在已经淘汰。 二、“联盟号”一“礼炮号”对接的对接机构系统 该对接机构系统的对接传动机构仍然采用“杆一锥”式，使用机电式阻尼系统， 该机构的一个重要进步是实现了冈性密封联接，对接后形成密封通道，可供宇航 员在不同航天器之间活动。在设计这种新型对接机构时，曾经解决了一个重要问 题，即把两个对接机构对接框上的所有对接元件，除密封圈外都做成同样的形式， 即所谓“异体同构”，同时也得到了一个保证连接结构异体同构的普遍原则，该原 则被用于“联盟一阿波罗”计划的ana c 的研制。另外，由于控制系统工作时， 掉头，航天员走动以及身体训练时，对接处将承受很大的弯矩，为了增加对接处 的承载能力，设计了第二套结构锁，通过两套一起工作来解决负载较大的问题。 在6 0 年代末期设计的这种对接机构系统，解决了载人或无人驾驶运输飞船空间对 接的全部问题，因此这种形式的对接机构现在一直使用。 三、“双子星座”计划的对接机构系统 这是美国研制的第一个对接机构系统，用于“双子星座”飞船与“阿金娜” 火箭的对接。该机构也是利用“锥一销”相容性原理，但是该系统采用液压式缓冲 方式，缓冲系统非常庞大，且安装在火箭上的主动对接机构由于受到承载能力与 布局的限制，导致了对接机构控制系统非常复杂。 四、“阿波罗”登月计划的对接机构系统 1 4 1 那 n a s a 在比较分析了“带柔性杆的对接机构”与“环一锥式对接机构”两种方 案之后，最后设计出了一种所有机构都布置在指令舱组合上的对接机构，这个机 构带杆的机构安装在过渡通道内，在主动机构的框上安装刚性锁等，该系统的被 动机构实质上是一个很简单的，组成过渡通道的对接框；在通道内部装有被动锥。 该系统最大优点是登月舱上的被动对接机构具有最小的外径尺寸和最小质量，但 是，在对接和分离的情况下，需要宇航员使用一系列手动控制机构来完成，这需 要花费大量的时间。进行紧张的准备和消耗很大的体力。该机构首先被用于登月 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 号i 专罩亍亍军号曼三暑! 三! 亍2 言号号宁号2 = 2 号2 = = ! ! = = = = = = = ! = = = = 计划和“天空实验室”，成功地实现了多次对接。 接机构：6 接纳 i l ；7 - 圆柱槽：用于捕获卡于的小槽；9 电连接嚣 “联盟号”飞船的对接机构系统 临 a 一接近末段；b - 刚性联接 l - 接纳锥；2 - 校正杆；3 - 卡抓槽：4 - 卡爪 “双于星座”与“5 u 仓纳”对接 回一嘲 】- 登月舱头通道：2 - 登月舱盖；3 - 排气压力平衡阀：接蚋锥 支撑：5 - 接纳锥：6 - 对接机构传动：7 - 对接框：8 - 指令舱盖 ”m 波岁”飞船对接机构的结构圈 l f 被动对接机构：2 - 接纳锥的槽：3 增的支撑；4 - 支撑传动；5 接纳 惟：6 - 主动对接机构：7 - 侧向阻尼；8 - 卡抓传动：9 - 侧向弹簧缓冲器： 1 0 _ 爆炸螺栓：l l 一导向打：1 2 - 角度限制器：1 3 对接机构仟：i 4 槽 “g ( 盟g - ”- “礼炮号”对接机构系统 e s a 的弱撞击对接机构 a 一“剐波岁”飞船( 被动) b 一“礼炮号”飞船( 主动) l _ 带确岢向瓣的捕获环；2 - 液压缓冲器；3 一对接1 动机构；4 捕获锁的卡爪 5 - 捕获锁；6 - 导向槽：7 一推杆；8 一对接框i9 对接处密封圈：1 0 结构锁： i i 一导向朴；1 2 一螺旋状电缆；1 3 一差动器部件；1 4 滚珠丝杆 异体问构周边式对接机构a p a s 图1 - 2 典型对接机构外形及结构 一霸一蘑 国防科学技术人学研究生院学位论文 五、a p a s 一7 5 与a p a s 一8 9 “” 这两种对接机构均为异体同构周边式对接机构，a p a s * 7 5 用于“联盟号”一“阿 波罗”飞船的对接之中，该主被动对接机构由美苏两国分别研制而成，双方在制 定了总的原理图、相互作用和连接部件的尺寸、承载、捕获锁与结构锁等严密的 协议规定之后分别制定单独机构的原理图并进行设计制造。最后荫国设计出来的 对接机构有以下共同特点：1 ) 都有带三个导向瓣的捕获环；2 ) 对接机构从被动状 态到主动状态的转换是由捕获环的运动决定的；3 ) 捕获环是由装在主动对接机构 上的六个可移动的杆子驱动的，通过装在被动环上导向瓣的三个捕获锁和被动壳 体上处于被动状态的锁钩实现捕获。但是美国采用液压缓冲，苏联采用机电式缓 冲。这种对接机构依照异体同构配合原则，全部对应的部件相对于同一轴成对的 对称的放置，按这一原则设计的对接机构，可以保证一个飞船能同装有这种机构 的任意飞船对接，而不管是主动还是被动。在这种情况下，每个飞船既可以充当 主动船，也可以当被动船，这一特点对空间救援作业非常重要。 a p a s 8 9 在a p a s 一7 5 的基础上改进而来，提高了连接强度、可靠性和工作能 力，兼容性更好。该机构被用于航天飞机与“和平”号空间站及国际空间站的对 接，国际空间站的组装和维持运行，为国际空间站的标准配置。 六、弱撞击对接机构系统1 1 7 1 欧洲空间局s a ) 和日本侧重于对未来不载人的空间对接提出了软对接要求。 前述对接结构由于控制精度不高，致使其体积和重量较大，结构相当复杂，这种 撞击式对接机构对缓冲系统要求很高。而软对接，则是着眼于提高测量和控制精 度，使对接时的相对速度、相对位置和相对姿态满足以下要求： 轴向接近速度匕：5 m m s ，姿态角：2 5 d e g ，径向对准精度 y ，a z ：0 0 。0 7 5 m ，径向速度k ，v ：- 4 3 。5 + 0 5 c m s ，角速度：一o 2 0 2 d e g s 。 这样就不需要利用动能实现捕获，只需要完成机构的刚性连接，解锁和分离。 日本于1 9 9 8 年采用十字交叉型“抓手- 撞锁”对接机构完成了无人飞行器e t s - 7 的对接飞行实验验证了这种机构的可行性。 1 3 2对接动力学仿真技术 对接过程由于涉及到碰撞以及复杂的缓冲系统，其动力学过程非常复杂，对 对接系统的设计和性能必须进行仿真验证。空间对接仿真通常包括三种手段：全 物理仿真、半物理仿真、数字仿真。 一、全物理仿真 全物理仿真逼真度好，可信度高，但是设备庞大复杂，质量大，耗费巨大， 而且难于模拟空间环境。空间对接的全物理仿真一般在对接系统研制的最后阶段 第8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 进行，其作用是模拟对接过程考察对接系统的适应能力，或研究对接过程的碰撞 特性。 二、半物理仿真 半物理仿真1 1 8 , 1 9 是指对接系统全部采用硬件实物，而航天器的位置姿态变化 动力学则采用数学模型，并用计算机实现，半物理按用途分为两种，一种为混合 式对接动力学仿真器，用于评估对接系统的性能，修改各种参数，直到达到最优 值。另一种用于训练宇航员，称为训练仿真器。一种典型的半物理仿真装置如图 所示 2 0 1 ， 图1 - 3 空间对接六自由度半物理仿真的原理图 仿真系统由支撑结构、测量对接过程中撞击力的传感器、控制系统和模拟飞 行器相对运动的伺服系统等组成。对接机构作为仿真研究的对象，采用产品或样 机。在仿真过程中，由控制系统按照对接初始条件控制对接机构相互接近。当发 生接触时，由传感器测出碰撞力，控制系统根据对接过程的动力学模型，计算出 飞行器的相对运动，并将该计算结果送至伺服系统，伺服系统将运动分解到六个 作动器上，作动器推动运动平台模拟飞行器的相对运动，带动对接机构完成对接 过程的仿真试验。该仿真系统中，传感器采用高精度六维力传感器。控制系统包 括对接过程动力学模型和高速计算机。伺服系统由作动器和它的控镱4 器等组成。 半物理仿真装置系统体积较小，成本比全物理仿真有大幅度降低，易于实现， 且具有较高的可信性，因而在世界各航天大国得到了广泛的应用。 三、数字仿真 数字仿真通常用于对接机构的研制阶段，它建立在对接过程的动力学模型之 第9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 上，该动力学模型则是航天器动力学，多体系统动力学与碰撞理论相结合的结果， 主要用来研究两对接航天器对接过程的受力情况以及相对运动规律。对对接过程 进行数字仿真的意义在于：分析对接过程动力学特性评价空间对接方案的技术 可行性。为对接初始条件的制定与校核以及控制策略的制定提供依据。为对 接机构系统的方案设计与参数优化提供分析仿真的