对接过程中捕获锁质量和锁合面间隙影响分析

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1、第19卷第3期航天器工程V01．19No．3i!!!堑i旦量呈垒篁兰篁堡垒呈!曼些鱼!些三曼塞!型鱼!!对接过程中捕获锁质量和锁合面间隙影响分析王翔1洪迪峰2虞磊2任革学2(1中国空间技术研究院，北京100094)(2清华大学航天航空学院，北京100084)摘要采用弹性接触动力学有限元和多刚体动力学方法分别对航天器对接接触碰撞过程和对接机构捕获、缓冲与校正过程进行了数值模拟，对比分析了捕获锁质量对捕获过程的影响及捕获锁锁合面间隙对捕获后对接过程的影响。从仿真结果可以看出，附加质量有利于主、被动对接环之间形成接触滑移，捕获后锁合面间隙引起两飞行器问相对速度震荡，并延

2、迟了碰撞力和缓冲时间。关键词航天器；交会对接；对接机构；动力学中图分类号：V42文献标志码：A文章编号：1673—8748(2010)03—0033—07EffectofCaptureLatchMassandClearanceontheDockingProcessWANGXian91HONGDifen92YULei2RENGexue2(1ChinaAcademyofSpaceTechnology，Beijing100094，China)(2TsinghuaUniversity，Beijing100084，China)Abstract：Elasticalcontac

3、tdynamicsFiniteElementMethod(FEM)andmulti—bodydynamicsmethodareusedtoanalyzethedockingimpactprocessandthecapture-attenuation‘—alignmentpro‘_cedureofthedockingmechanicsofspacecraft．ThenumericalsimulationshowsthatthemassofcapturelatchconducestOformthecontactslidebetweentheguidepetalsand

4、thepassivedockingmechanism，andtheclearancebetweencapturelatchcausesthedisturbanceofrelativevelocitiesofthetwospacecraftsandthedelayofthepeakofimpactforce．Thedurationofattenuationisextendedduetotheeffectofclearance．Keywords：spacecraft；rendezvousanddocking；dockingmechanism；dynamics引言对接捕

5、获是实现航天器空间对接的前提和关键过程。对接机构的引入使得主、被动飞行器的对接碰撞转换为主动对接机构缓冲系统与目标飞行器的碰撞，因此缓冲系统的局部质量和捕获后的锁合间隙会影响对接动力学过程。动力学数值仿真是研究对接问题的有效手段口q]，国内外的研究者在机构运动学建模、缓冲系统性能研究等方面已做了较为充分的工作。在公开文献中，多数研究着眼于飞行器质量匹配和对接初始条件等问题，面对机构局部质量和锁系间隙的影响及定量分析较少。本文以周边式对接机构为例，进行了对接碰撞至校正全过程的数值模拟，分析了由于捕获锁自身质量造成的对接环附加质量对碰撞后滑移过程的影响，并计算了捕获锁

6、与被动对接机构锁合面间隙引起的飞行器间速度震荡和碰撞力延迟。收稿日期：2009—07-10；修回日期：ZOIO一04—18基金项目：国家重大科技专项工程作者简介：王翔(1973～)，男，高级工程师，从事载人航天器总体设计工作。航天器工程19卷2对接过程以某型异体同构周边式对接机构(Androgy—nousPeripheralAssemblySystem，APAS)m3为例，见图1，其实现对接的过程包括接触、捕获、缓冲及相对姿态校正，之后完成两飞行器间的刚性连接，见图2。由于主动对接环和缓冲系统的等效惯量远小于主动飞行器，从而易于借助碰撞力调整主动对接环的六自由度位

7、置与姿态，在导向板的单面约束之下，使主动对接环与被动对接环之间的相对姿态趋同，实现捕获并达到减小碰撞力的目的，减少对接中的危险因素"J。由于捕获锁安装在主动对接环的导向板上，锁系自身的质量改变了对接环的质量特性，会影响对接环碰撞接触后形成滑移的过程，进而影响捕获锁的捕获；主动对接环捕获锁与被动对接机构卡板器主动对接环伸出1)主动对接环推出准备对接两飞行器姿态校正3)缓冲与姿态校正捕获锁定后，锁合面之间还存在2～5mm间隙，见图3，该间隙使理想的连续缓冲过程产生延时，可能影响缓冲力大小。因此，捕获锁质量和锁合面间隙是主、被动捕获锁系设计中必须考虑的参数。结构锁图1某

8、型对接机构