航天器在轨可更换模块机构与结构设计

张艳丽,杨惠欣,李树军

(1.沈阳航空航天大学 机电工程学院，沈阳 110136; 2.东北大学 机械工程与自动化学院，沈阳 110004)

机械工程

航天器在轨可更换模块机构与结构设计

张艳丽1,杨惠欣2,李树军2

(1.沈阳航空航天大学 机电工程学院，沈阳 110136; 2.东北大学 机械工程与自动化学院，沈阳 110004)

航天器常在其任务中出现功能失效，造成巨大的损失，而在轨模块更换技术则是利用空间机械臂自主对可接受在轨服务航天器进行故障模块更换、升级、补充消耗品等。通过对在轨可更换模块在轨服务的任务、在轨可更换模块的组件构成，从而得出在轨可更换模块的机构设计方案，进而又对在轨可更换模块进行结构设计，利用SolidWorks软件建立该结构的三维模型，实物模型验证了其可行性。

航天器；在轨可更换模块；机械臂；机构设计；结构设计

随着航天科技的飞速发展，在轨运行的航天器的数量日益增多，由于受发射费用和空间环境等因素的影响，很少对航天器进行如地面设备常有的维护、保养、升级等，况且航天器所处的空间环境复杂恶劣。因此如何保证航天器在空间环境中持久、稳定的运行，是目前急需解决的问题之一。在轨可更换模块(Orbital Replacement Unit)设计技术是指把卫星的一些部件设计成在轨可替换的单元，当这些部件在轨运行失效时，可以通过直接更换这些部件使系统继续正常工作[1-5]。ORU技术是应用于在轨服务的一项关键技术，是支持模块在轨更换的基础。

1 在轨可更换模块的机构设计

1.1 在轨可更换模块的任务

在轨可更换模块的主要任务包括：a.延长航天器的使用寿命；b.实现航天器功能扩展与性能的提高；c.对运行的航天器进行在轨补给，如燃料贮箱、蓄电池、胶片等封装消耗品的更换与补充。

1.2 在轨可更换模块机构设计

在轨可更换模块由通用组件和功能专用设备构成，功能专用设备与模块的具体功能有关，本文所设计的为ORU的通用组件。ORU利用机械臂进行在轨更换，连接ORU与目标航天器的机械接口的连接方式及传动机构应简单易操作，因为太空中进行接口的操作不同于地面操作，太空中操作的主体为机械臂或航天员，由于受多种因素的影响以及科学技术发展的限制，其操作能力以及可操作的范围受到极大的限制，因此，尽可能的简化机械接口的操作方式，将模块更换的操作方式简化在几个自由度内，从而降低对机械臂的要求。同时要有连接到位的提示，在设计时，应避免或消除在使用操作和更换时造成人为差错的可能，即使发生差错也应不危及人机安全，并能立即发觉和纠正。由于太空与地面环境的差异，对于航天员来说判断接口是否正确安装到位比较困难，而对于服务航天器或机械臂来说，由于技术条件的限制，也很难判断接口是否正确安装到位，因此，应在接口上安装连接到位的指示装置，在接口正确接合后，航天员或服务航天器能够得到信息指示，从而进行下一步操作。ORU的机构设计如图1所示：

ORU的工作流程为：空间机械臂是通过其末端与ORU外壳上的夹持装置相匹配的装置来夹持、移动ORU寻找到目标需要安装新模块的位置。通过对接导向机构进行精确对接，待位置精确对准后机械臂末端输出扭矩，使传动机构的主动轴转动，通过齿轮啮合传动使得旋转锁紧装置转动并进行旋合。再利用弹簧的作用使旋转锁紧装置与轴形成柔性连接，在旋转到终点时ORU与目标航天器的底板之间产生一定的面压力从而使其连接更紧密。

图1 ORU机构简图

2 在轨可更换模块的结构设计

ORU的通用组件包括结构外壳、机械臂抓取装置、对准设备、机械接口、传动机构、电子数据接口、对接导向机构以及连接到位提示组件等，其中结构外壳为ORU提供支撑，保证其在太空轨道环境条件下的正常运行并且支持在轨操作的要求；机械臂抓取装置与机械臂末端组件相匹配，并且通过对准识别组件使机械臂能够较容易地对准并抓取；为简化机械臂在更换模块时的插拔操作，机械接口采用旋转锁紧结构，而其传动机构则用齿轮啮合传动，只需要机械臂输出扭矩即可完成模块与目标航天器的旋转锁紧和拔出操作；在旋转锁紧装置螺旋槽的末端装有触点开关，连接到位以后接触到触点开关，触点开关启动则会发出连接到位的信号。根据ORU的机构设计简图对其进行结构设计，并利用SolidWorks[7-8]对各构件进行三维建模[9-10]。

2.1 外壳设计

外壳为ORU功能设备提供支撑，并且承受和传递载荷，保持ORU的刚度和稳定性。ORU结构外壳(如图2所示)应保证ORU能够在轨道环境条下正常的运行，在外壳结构的设计中还要满足结构布局、质量、强度、位置稳定性、机械与非机械性能、可操作性以及材料加工工艺等方面的要求。ORU的外壳形状应较规则，因为规则的ORU外形结构利于识别、安装，另外规则的外壳结构相对简化了进行更换操作所需的机构设计，模块的安装固定与拆卸操作也更为方便可靠。外壳表面采用轻重量设计，在满足其强度和刚度的前提下使重量最小，并选用强度较高且密度较小的材料，外壳的六个面之间采用螺钉和销连接以保证其精度，若使用焊接的方法，则可能会使板面变形精度不能得到保证。

图2 ORU结构外壳

2.2 机械臂对准识别、抓取装置和机械对接机构设计

ORU支持在轨操作的要求，应满足机械臂的对准识别和抓取操作。抓取装置[11](如图3a所示)应与机械臂的末端相匹配，并且在抓取的过程中应尽量减小对目标航天器的损伤，同时要保证抓取的效率。而对准识别装置[12](如图3b所示)则是用来使机械臂末端能够精确的对准抓取装置。

图3 抓取装置和对准识别装置

机械对接机构是用来连接ORU与航天器的，对ORU起机械连接和固定作用。它包括ORU对接机构[13](如图4a所示)和目标航天器对接机构[8](如图4b所示)。

图4 ORU对接机构和目标航天器对接机构

2.3 传动机构、对接导向机构和连接到位指示的设计

太空中，由于机械臂受到技术发展的限制，只能做很少的动作，因此在传动过程中要使机械臂的操作尽可能的简单、易操作。该传动机构[14](如图5a所示)在机械接口锁紧的过程中只需机械臂输入转矩，通过齿轮传动即可实现两个转矩的输出。对接导向机构(如图5b所示)采用漏斗型，逐步逼近准确位置的方法，当ORU与可接受在轨服务的航天器之间的距离相对“较大”时，机械臂不能够准确定位，因此可以利用该定位装置，大致确定位置，然后循序渐进从而为机械接口、数据接口以及热接口等确定准确的位置。

由于太空环境与地面的极大差别，再加上航天员身着厚重的航天服，感觉能力比较差，因此判断接口是否连接到位比较困难，而由于技术条件等约束，空间机械臂也不能够准确判断是否恰好连接到位，因此在接口的末端安装连接到位的指示装置——触点开关(如图5c所示)，连接到位以后接触到触点开关，触点开关启动，给航天员或服务航天器发出连接到位的信号，则航天员或是空间机械臂结束当前操作。

为了便于观察可更换模块对接机构在对接初始阶段是否与航天器对接机构对齐，在ORU内部安装相机实时拍摄可更换模块对接机构的旋转位置。该设计中应用的矩形电连接器是集成化的接口，其集成了电源接口与数据接口，减少了插拔动作的次数，从而减少了航天员或空间机械臂的操作程序，减轻其工作负担，并且该电连接器具有防止连接时方向错误的设计，方向相反时插头不能插入插座，只有正向插入时插头才能顺利的插入插座，从而避免了因连接时的方向错误而导致的连接器插针损坏或航天器件损坏等损失。

图5 传动机构、对接导向机构和触点开关

3 ORU三维建模装配

采用SolidWorks[15]中自下而上的设计方法，即先对所有的零件进行三维建模，然后利用这些零件从小到大完成装配，该方法中零件独立设计，因此不用建立控制零件大小和尺寸的参考关系等复杂的概念。

SolidWorks系统中两个零件之间的配合关系一般用三个坐标方向的位移以及三个坐标方向的转动来表示，系统在配合菜单下提供了包括角度、重合等在内的标准配合和包括对称配合、宽度配合、路径配合等在内的高级配合以及包括凸轮、铰链、螺旋、万向节在内的机械配合，可以使用这些配合精确地放置实体。正确装配后的ORU装配体如图6a所示，实物照片如图6b所示。

图6 ORU装配体和实物照片

4 小结

本文对在轨可更换模块进行了机构设计和结构设计，其中主要包括ORU外壳、机械对接机构、传动机构以及对接导向机构的结构设计，并利用SolidWorks建立三维实体模型并进行装配，验证了ORU机构及结构设计的合理性，将对未来空间在轨服务技术的发展具有一定的参考意义。

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(责任编辑：刘划 英文审校：刘敬钰)

Mechanismandstructuraldesignoftheorbitalreplacementunitofspacecraft

ZHANG Yan-li1，YANG Hui-xin2，LI Shu-jun2

(1.College of Electromechanical Engineering，Shenyang Aerospace University，Shenyang 110136,China;2.School of Mechanical Engineering and Automation，Northeastern University，Shenyang 110004,China)

Because the spacecrafts appear functional failures very often in their missions，This will cause a great loss to us.However,on-orbit unit replacement technology makes use of the space manipulator′s own fault on the serviceable spacecraft to replace the failure units,upgrade the spacecrafts and add the consumables and so on.On the basis of missions and components,the mechanism designing scheme has been designed about Orbital Replacement Unit.Then structural design has been planned.Finally it established 3D model of the structure by using SolidWorks software.Its feasibility is verified by actual model.

spacecraft;orbital replacement unit;mechanical arm;mechanism design;structural design

2014-04-18

张艳丽(1975-)，女，黑龙江泰来人，副教授，主要研究方向：机器人机构学、机械系统的结构理论与机构创新设计等，E-mail:zhangyanli_2002@163.com。

2095-1248(2014)05-0072-05

TH112

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2014.05.014