空间对接机构差动式缓冲阻尼系统运动学仿真

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1、万方数据第4期航天控制1998年空间对接机构差动式缓冲阻尼系统运动学仿真*曹喜滨赵阳哈尔滨工业大学15000l赵会光中国空间技术研究院100086摘要．。着重分析空间对接机构差动式缓冲阻尼及传动系统主要组件：丝杠差动组合、．：齿轮差动组合的机构运动学原理。在此基础上建立系统的运动学模型，利用捕获环伸出过程和缓冲阻尼过程系统运动学仿真验证了系统模型。主题诃空间对接，运动学仿真Ⅺ删mticsSiIIlIlla伽n0ftil：leDi脏re】嘣alCu姗伽DanlpingSyst哪forSp躯eDockiIIgMbclla脚smCa0XibinZhaoYaIlgHarbinh

2、lstituteofTecllIlology15000lzhaoHuiguaIlgC}li眦Ac甜eHlyofSpace‰hno岫100086Abs蛔ct7矗厶口驴ers缸di酷眈e，砒，协m航棚fi∞p而配驷如旷砒，nn梳∞鲫渤矗船矿琥B矗谚白咖硪拓c溉洳a物印西喀夥s劬n'：『研{p0船dD幽ing，聊c7如n函m，iwZ诚，酱施三f—scr8t￡7吨毋衲堪施Z徽妍拍Z泌，g∞r坳m施Z删Z妇．删。凡￡k口胍加厶琥e幼螂删泌，砒f厶es渤Z洳以ond如厶c7记ckd砂琉e兢，聊mfi岱s切m缸￡幻n旷prof，l岱幻n舭p抛陀r讥gondc珊^幻n咖打增prl)(’

3、e矗溉．sUIbject觚跏ce眈以啦厨，硎喊逸＆mzl如砌，l1引言空间交会对接是实现空间站、载人飞船等大型飞行器在轨组装和维修、轮换和营救宇航员、设备更换、物资补给、燃料加注等是航天器在轨运行中最复杂的一项技术操作，也是我国进一步发展载人航天技术及参与国际空间站计划所面临的亟待解决的基本技术之一。*国家自然科学基金资助项目修改稿日期1998年9月29日一57—万方数据第4期航天控制1998年利用对接机构实现的两航天器空间对接是原苏联和美国自60年代初期开始研究，自1966年美国“双子星座”8号飞船与“阿金纳”号火箭实现首次在宇航员参与下的手控空间对接，美苏已成功地进

4、行了160多次交会对接【1I。近年来，载人航天已经发展到实用阶段，永久性载人空间站也正蓬勃发展，特别是随着国际空间站(原“阿尔法”空间站)计划的提出与实施，欧空局和日本等也开始研制自己的空间对接机构[2“J。缓冲阻尼及传动系统是空间对接机构的核心部分，它既能抑制碰撞冲击载荷，又实现对接过程某些参数的被动控制，决定着对接的成败。针对不同的对接飞行计划，曾成功地研制出多种缓冲阻尼及传动系统方案。具有差动式机电缓冲阻尼系统的异体同构周边式对接机构(AIIAC)是原苏联在执行“联盟一阿波罗”联合飞行计划时研制成功的【纠，经多次对接实践，特别是在美国航天飞机与俄罗斯“和平”空间站

5、对接时的成功应用证明，具有该系统的空间对接机构是最佳的，并将在未来的国际空间站上使用。虽然该系统已在工程上成功应用，但限于原苏联在研制该系统时主要采用以试验为主的研制手段，以及对该技术的高度保密，因此目前国内在该系统的运动学建模等方面了解甚少。在进行对接动力学分析时，不得不将该系统作等效简化处理，从而与实际系统特性相差较大，更难用于该系统的工程设计。本文将从捕获环空间对接机构差动式缓冲阻尼系统的主要组件：丝杠差动组合、齿轮差动组合的机构运动学原理研究人手，建立整个系统的运动学模型，利用所建立的模型对航天器的对接过程进行系统仿真，并验证系统模型。2系统典型组件机构运动学原

6、理分析差动式机电缓冲阻尼及传动系统的基本组成构件有：滚珠丝杠螺杆传动副、各类弹簧机构、电磁制动器、自动调整摩擦制动器、差速器、丝杠差动组合、齿轮差动组合、失调传感器、电位器、失调定位销、定位器、电位器、驱动电机及各种齿轮传动机构，其主要组件是两类差动组合。下面分别分析滚珠丝杠螺杆传动、丝杠差动组合、齿轮差动组合的机构运动学原理。2．1滚珠丝杠螺杆传动滚珠丝杠螺杆传动中滚珠丝杠和丝杠螺母作为输入或输出构件，如果对其运动不加约束，它们分别可有沿轴向直线移动和绕轴线旋转运动的两种运动形式。在对接机构中，基于对接过程差动式缓冲阻尼及传动系统的不同工作状态，滚珠丝杠螺杆传动可以有

7、以下两种约束传动形式：(1)约束丝杠螺母沿轴线移动及滚珠丝杠螺杆绕轴线转动的自由度。这种情况下，滚珠丝杠螺杆副作单自由度传动，可实现丝杠螺母绕轴线转动与滚珠丝杠螺杆沿轴线移动之间的运动传递，它对应于捕获环伸出和拉紧阶段滚珠丝杠螺杆的传动状态；运动传递关系按下式计算：s=轰‰(1)32磊‘LoLl，式中s一丝杠螺杆的伸缩行程变化量；∥一丝杠螺母输入转角；如一滚珠丝杠螺杆的螺纹导程；一58—万方数据第4期航天控制(2)约束丝杠螺母沿轴线移动自由度。这种情况下，滚珠丝杠螺杆副作两自由度传动，它对应于差动式缓冲阻尼及传动系统捕获缓冲和校平过程中螺