对接初始条件对捕获概率的影响分析

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1、V01．19No．314载人航天M粕nedSpacenigIlt第19卷第3期2013年5月对接初始条件对捕获概率的影响分析郑云青·，张崇峰2，刘志1，顾靖1(1上海市空间飞行器机构重点实验室，上海宇航系统工程研究所，上海201108；2上海航天技术研究院，上海201109)摘要根据空间交会对接两航天器GNC能够实现的对接初始条件范围和各个参数的变化规律，提出对接机构捕获概率计算的方法，并以横向偏差和轴向接近速度为例，分析对接初始条件的分布范围及其规律对捕获概率的影响，确定提高捕获成功概率的方向。1引言关键词对接；捕获；概率中图分

2、类号：V526V416．7文献标识码：A文章编号：1674—5825(2013)03—0014—07两个航天器在空间进行交会对接时，可分为两个阶段：交会阶段和对接阶段。在两航天器第一次机械接触之前称为交会阶段，主要完成追踪航天器与目标航天器的交会、接近，将两航天器的相对位置、姿态和相对速度调整到对接初始条件范围内。从两航天器第一次机械接触开始，关闭姿态控制系统，由对接机构机械系统完成碰撞连接、轴向捕获、相互拉紧，直到两航天器完成刚性连接连成一个整体，称为对接阶段⋯。两航天器对接时，由于敏感器测量误差、控制系统精度所引起的动力学误差

3、以及测量装置和对接机构的安装误差等相互叠加，其相对运动参数总是有偏差的【2l，即两航天器捕获时，总是在一定的初始条件范围内进行的。由于这种偏差的客观存在，使航天器的交会与对接变得复杂了，也给对接机构的成功捕获增加了难度。对接机构有多种类型，如“锥一杆”式、“锥一栓”式、异体同构周边式、数控式以及“十字型”布局小型卡爪式对接机构等【3’4l。这些对接机构的结构形式不同，但主要工作过程是一致的。本文以异体同构周边式对接机构为例，根据GNC能够实现的对接初始条件规律和范围，提出了对接机构捕获概率计算的方法，分析了对接初始条件的分布范围和

4、规律对捕获概率的影响。2对接过程简介异体同构周边式对接机构是按照雌雄同体的配合原则配置对接面的部件，所有对接面的部件都相对于同一轴成对地反对称放置，即凸部对凹部、销对套、主动对被动等，以保证两对接机构之间的相容性，见图1。根据这一原则设计的对接机构，主被动为捕获锁缓冲校正机构对接环图1异体同构周边式对接机构收稿日期：2013—0l一29；修回日期：2013一04—24作者简介：郑云青(1973一)，女，硕士，研究员。主要从事空间对接机构系统设计及可靠性工作。E—mail：c00Lding@163．com第3期郑云青等：对接初始条件

5、对捕获概率的影响分析15一体，无须区分主被动部件，这样可以保证一艘飞船可以与装有相同对接机构的任意飞船对接。异体同构周边式对接机构由与捕获缓冲有关的对接环、捕获锁、传动缓冲机构以及与密封有关的连接密封机构等组成。对接机构的捕获缓冲过程嘲见图2。具体为：①对接准备：对接前，将追踪航天器对接机构的对接环推出到准备对接位置，并使对接环在位置和姿态上具有一定的柔性；②接触、缓冲：在对接初始条件范围内，当两对接机构第一次机械接触时，追踪航天器和目标航天器的对接环相互配合，利用自身的结构形状进行初始导向，并通过传动缓冲机构缓冲两航天器间的碰撞

6、；③捕获：当两对接环端面重合时，追踪航天器的捕获锁与目标航天器的挡块咬合，实现捕获；④缓冲与校正：追踪航天器的对接机构通过传动缓冲机构对两航天器间的相对运动进行缓冲，校正两航天器间的姿态和位置偏差。3捕获概率定义3．1对接初始条件及其分布函数对接初始条件是在目标航天器对接面坐标系下描述。目标航天器对接面坐标系OrXdY五如图3所皿哑a)对接准备b)接触、缓冲示，坐标系原点O。在目标航天器对接框端面中心，OⅨ。轴指向目标航天器后端。追踪航天器对接面坐标系O；一)Io五的坐标系原点O。在追踪航天器对接环环导向板根圆圆心，OⅨ。轴指向追

7、踪航天器前端。对接初始条件是指两航天器对接机构首次机械接触时，追踪航天器对接面坐标系与目标航天器对接面坐标系之间相对同轴位置偏差的相对坐标值(相对位移与相对转角)及其一阶导数(相对速度与相对角速度)，即包括：①接近速度y，；②横向偏移量△y、姐；③横向速度y—y，；④横向角偏移量哕、p；⑤滚转角偏移量9；⑥横向角速度∞”‰；⑦滚转角速度叱。对接初始条件由航天器的姿态控制系统实现，其分布密度函数为：以s)甙屹，△l，，衄，y，，t，9，p，p，∞妒，‰，∞。)(1)初始条件的各自由度是相互独立的。在任一对接工况下，对接初始条件是由上

8、述初始条件参数随机抽样组合形成的。根据相互独立的多维随机变量的特性嗍，存在：图2对接机构的捕获缓冲过程d)校正16载人航天第19卷矗(s)萌，(y。)六五(△l，)★Z(△Z)六^，(y，)六^(t)六矗(哕)六五(p)六工(妒)六工，(∞妒)六工