非合作目标拖拉式对接机构设计与分析.pdf

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1、2015年4月第2期中国空间科学技术ChineseSpaceScienceandTechnology41非合作目标拖拉式对接机构设计与分析李隆球1’2刘伟民1陈萌2(1哈尔滨T业大学机电学院，哈尔滨150001)张广玉1张雪敏1柏合民2(2上海市空间飞行器机构重点实验室，上海210016)摘要针对非合作目标对接技术的要求和特点，提出了一种以卫星远地点喷管为对接接口的非合作目标拖拉式对接机构方案。设计了拖拉式对接机构的具体结构并建立其三维CAD模型．根据此模型，对机构进行了包络范围的求解；使用ADAMS软件对机构进行了动力学仿真，分析了对

2、接过程中目标星与机械臂的动态特性，分析了对接过程中捕获力与关节受力情况。计算与仿真结果表明，提出的对接机构能够对目标进行有效、可靠的对接捕获，碰撞接触力小于280N，不会造成本体及目标的破坏。与以往对接机构相比，此拖拉式对接机构具有结构简单、可靠性高、捕获范围大、控制方法简单等优点，且机构受力合理，适合作为空间非合作目标对接的捕获装置。关键词非合作目标；对接机构；拖拉式；运动学分析；动力学仿真；卫星DOI：10．3780／i．issn．1000—758X．2015．02．0061引言非合作目标对接，是指与没有预装对接接口及应答装置的目标

3、航天器进行对接，这就增加了对目标进行识别、测量和抓捕等操作的技术难度。非合作目标对接技术在军用和民用方面都具有较大的应用价值，对空间安全意义重大[1一。目前，该技术研究尚处于起步阶段，研究大都停留在理论研究阶段，仅有少数实验研究。德国航天局开展了以无人在轨维修和装配为目的的TECSAS／DEOS(TechnologySatelliteforDemonstrationandVerificationofSpaceSystems／DeutscheOrbitalServicingMission)研究计划口]。美国的FREND(FrontEndR

4、oboticsEnablingNear—termDemonstration)计划以星箭对接接El作为对接目标接口，对目标卫星进行抓捕，并进行轨道修正等操作p弘。在FREND项目的基础上美国又提出了针对GEO卫星的重用计划“凤凰计划”，该计划设想从一颗退役卫星上剥离大型天线，并重新构造一颗新卫星置于GEO轨道[6。。文献[7—9]以地球同步轨道卫星为对接捕获目标进行了一系列设计与研究，研究选择的对接接口为远地点发动机喷管，提出了关节型三臂对接机构、耦合杆型三臂对接机构以及欠驱动型三臂对接机构等，选用的三臂型包络捕获方案合理高效，有很高的研

5、究与应用价值。这些机构结构简单，但大都存在可靠性低、速度慢等缺点。本文在结合非合作目标对接技术要求、特点及现有对接机构优缺点的基础上，以卫星远地点喷管为对接接口，提出了一种拖拉式非合作目标对接机构方案。该方案结构简单，可靠性高，容错能力强，控制方法简单。上海市空间飞行器机构重点实验室开放课题基金(06DZ22105)，哈尔滨工业大学科研创新基金(HIT．NSRIE2014052)资助项目收稿日期：2014-08—28。收修改稿日期：2014—12-1942中国空间科学技术2015年4月2对接机构捕获原理及方案2．1对接捕获原理本拖拉式对

6、接机构选择同步轨道卫星为目标，该类卫星数量众多，种类齐全，研究也最具有代表性，且卫星至少都有一个近似锥形的卫星远地点发动机喷管，其尺寸范围如表1所示‘11-12]。设计的对接机构工作原理如图1所示。该机构安装在本体卫星上，并在其下部安装提升机构，可对对接机构实现上下提升。在本体卫星与目标卫星完成交会后，对接过程如下：首先，通过位置传感器与图像传感器等设备确定目标卫星喷管的位置与尺寸等信息，启动对接机构；然后，电动机驱动机械臂执行机构快速张开，形成能够使目标喷管自由进入的包络空间；提升机构驱动对接机构靠近目标卫星，此时缓冲机构进入喷管内部

7、，位置检测装置确定相对位置关系后，电动机表1喷管尺寸参数表!!!：!兰翌gi堡呈旦翌!!垒i翌!翌!i旦翌E!翌巴!!!竖翌翌喷管参数喉部直径喷口直径喷管高度闭合空间图l埘接机构原理Fig．1Principlesketchofthedockingmechanism冲机构机械臂反向驱动机械臂执行机构收拢，将喷管包络在包络空间内；机械臂执行机构在缓冲对心机构的协助下将喷管拖拉至停靠平台，使喷管与对接机构轴线对齐并锁紧；最后，提升机构将对接结构与喷管一起拉近本体卫星，完成捕获对接。2．2对接机构方案设计整体机械结构分为5部分：1)对喷管进行抓

8、取的机械臂与和喷管直接进行接触的末端机构组成的执行机构；2)具有缓冲减震作用的缓冲机构；3)驱动整个机构的传动系统；4)对机架提供轴向移动量的提升机构；5)机架。根据总体对接捕获原理与方案以及总体设计，本文