基于抱爪式对接机构捕获缓冲系统动力学仿真研究

沈 涛 张崇峰†,,1) 王卫军 冯文博 邱华勇

∗(上海宇航系统工程研究所，上海 201109)

†(中国航天科技集团有限公司空间结构与机构技术实验室，上海 201109)

∗∗(上海航天技术研究院，上海 201109)

引言

对接机构技术是指能够在太空通过接触、缓冲、捕获和刚性联接等过程将两个飞行器在结构上形成一个整体的技术[1].其中，在轨道上等待对接的飞行器称为目标飞行器，通过一系列变轨等运动控制与目标飞行器进行对接的飞行器称为主动飞行器.对接技术作为航天领域内的一项重大技术主要有以下几个作用.

(1)大型航天器的在轨组装.由于对接技术首要的功能就是可以将两个航天器通过刚性联接固连为一个结构整体，这为一些需要在轨组装拼接的大型航天器提供了很大的优势[2-3].

(2) 航天员转移以及物资补给.大多数对接机构中都具有可供航天员转移以及物资补给用的通道[4]，在两飞行器固连完成后，主动飞行器和目标飞行器的通道完整的联接[5].

(3)空间在轨服务.空间飞行器的低寿命问题一直是困扰航天工作者的一个重大难题，为了延长航天器在轨的工作寿命[6-7]，许多空间在轨维修以及更换等维护服务均依靠对接技术的支持得以实现[8-10].

(4)深空探测等任务的技术支持.未来的载人登月以及深空探测等任务均需将飞行器送入更远的轨道中去[11-12]，利用对接技术手段通过多次发射，多次对接的方式来实现.

对接机构作为一项关键技术一直承担着重要的航天任务，但随着载人航天和深空探测任务的不断发展，目前对接机构难以满足未来建立月球轨道空间站的需求，其在功能和性能方面都具有一定的局限性，主要具体有以下几点.

(1)现有对接机构捕获性能调整不灵活.由于月球轨道空间站的建设首先需要完成载人登月任务，根据目前载人登月工程综合论证工作，我国的载人登月任务拟采用“近地轨道一次对接+环月轨道两次对接”这种模式[13-14]，整个任务周期需要完成三次对接任务.其中，每次对接的主动飞行器与目标飞行器的吨位质量均不相同，大致从18 吨与3 吨对接至18 吨与80 吨对接，而现有对接机构因其刚度和阻尼等性能都需要在地面调试完成，故无法满足在轨多质量范围的对接需求[15-17].

(2)现有对接机构质量较重.探月飞行器由于需要进入更高的飞行轨道，并同时要进行月面着陆和起飞等过程[18-19]，这便对整个对接系统质量要求高于传统的近地飞行器.我国现有在轨运作的对接机构在质量上约为540 kg，其中主动件约为320 kg，目标件约为220 kg，相对较重，需要针对月球轨道空间站的任务在质量指标方面进行优化设计.

(3)现有对接机构的通道直径无法满足需求.月球轨道空间站的搭建需要经历多次发射来对接进行在轨组装，同时为了方便仪器及设备在飞行器间的转移，这就对对接完成后内部通道的直径有了更大的需求，此外，目前在轨的对接机构的通道直径大约是800 mm，其中某些部位由于结构影响使得直径更小，在航天员穿着航天服的情况下通过该通道较为勉强，故通道直径的需求也需要考量.

(4)现有对接机构适应性无法满足日益苛刻的任务环境.载人探月飞行任务中，对接机构需要满足的空间环境更为苛刻，月球轨道环境与近地轨道环境有着较大的差异，载人登月对接机构能够承受满足近月空间环境的高真空特性，以及更宽的高低温范围[20].

(5)现有对接机构捕获方式较为单一.由于现有对接机构的结构特性，在进行捕获前需要有一定的推力，致使对接环上的捕获锁在力的作用下成功捕获到目标飞行器，故不支持利用机械臂对对接机构进行停靠对接和摇操作[21].

近年来，各国许多航天单位与高校着手研制新型对接机构，美国航空航天局与波音公司联合研制弱撞击对接机构[22-24] (NASA Docking System Block 1,NDSB1)，其采用完全主动控制型的直线驱动机构，与对接环相连形成stewart 并联机构[25]，通过力反馈控制实现对接碰撞过程中的柔顺捕获.欧空局也研制了国际停靠对接系统[26-27] (international berthing docking mechanism,IBDM)，其依托国际对接系统标准[28]，目的用于未来的新飞船与国际空间站进行对接.Marco Buonomo[29]等设计了一种磁吸附型对接机构，进行了吸附能力测试和磁铁球运动状态研究.Lorenzo Olivieri 等[30]设计了一种针对小型卫星对接的对接机构并进行了动力学仿真分析.国内徐敏[31]提出了一种弱撞击式对接机构，并对其进行了机构设计与仿真分析.解增辉[32]对弱撞击式对接机构提出了两种主动柔顺控制算法.张玲瑄等[33]建立了弱撞击式对接机构运动学性能及力传递性能的优化模型.上述研究大多集中在并联运动平台形式的对接机构，其结构复杂，加工生产难度大且质量较重.基于现有对接机构的不足，设计了一种抱爪式对接机构.本工作采用恢复系数方法[34-35]，推导了对接碰撞的影响因素，并加以仿真分析以期为后续工程研制提供参考数据.

1 结构设计

抱爪式对接机构采用周边式构型，内部通道在整个机构的中心部位，其余的传动以及捕获缓冲等部组件均安置在机构的周边，该设计能很好满足飞行器刚性联接之后形成内部通道的需要.同时采用了异体同构式结构，即主动对接机构与目标对接机构的结构设计完全相同，在对接任务中所有的机构运动一般由主动对接机构实现，目标对接机构属于冗余备份.此外，异体同构式设计能实现主目标对接机构之间的互换.图1 为设计的抱爪式对接机构模型.

原有在轨对接机构以靠两飞行器上的导向板互相接触再完成捕获，而导向板内翻式的实际会致使对接框的直径需要比通道直径大，从而加大了对接机构的质量.从图1 抱爪式对接机构尺寸包络可以看到，由于设计的抱爪式对接机构完全取消了导向板的设计，故可以将对接框内径与通道直径一致，从而大幅降低了对接框的质量，与此同时，单个对接机构上的对接锁的数量也能减少.整个抱爪式对接机构对轻量化的设计具有很大的优势，与国内外主要在轨工作过的主动对接机构质量对比如表1所示.

图1 抱爪式对接机构模型及其外包络尺寸Fig.1 Outer envelope size of claw-type docking mechanism

根据图1 中所示，V 型槽与爪钩组成了机构的捕获缓冲系统，在对目标飞行器捕获过程中，通过爪钩的运动将目标动飞行器上的锁柄抱住同时相互拉近直至完全捕获，V 型槽主要功能是缓冲对接过程中的碰撞力，其与底座之间安装有4 个滑移杆，通过杆内的弹簧阻尼结构实现碰撞力的消耗.

表1 主动对接机构质量对比Table 1 Weight contrast of active docking mechanism

2 捕获缓冲动力学分析

恢复系数是指两物体碰撞时的变形恢复能力的参数，其定义为碰撞前后两物体在接触点上的法向相对分离速度与法向相对接近速度之比，可表示为

其中，V1和V2分别表示两飞行器碰撞前速度，和分别表示两飞行器碰撞后速度.

理想的弹性元件在碰撞后可以完全回到原始位置，或是说其能够恢复物体动能且无损耗，就如同绝对弹性撞击的情况一样，此时恢复系数S=1.当完全不考虑结构弹性时，此时的恢复系数S=0.自然界中不存在理想的弹性元件，对于实际缓冲器来说S值是在这两个极限值之间，即0S<1.

为了设计缓冲器确定S值，需要引入阻尼结构，对于能够产生与变形速度成正比的力，变形系数为Kn的弹性元件和阻尼系数为Cn的线性缓冲器来说，它的当量模型可用线性微分方程来描述

其中，Mn为两飞行器的当量质量，ε 为缓冲器变形量，令ε(t)=，同时引入等效阻尼比ξ=，则可以得到以下关系式

将式(3)代入式(2)中，同时对缓冲器变形量的二阶导为零判定为分离时刻，据此求得恢复系数与等效阻尼比之间的关系式

由此可见，缓冲器的特性决定了抱爪式对接机构撞击前后的恢复系数.显然，若S=0 时，表示锁柄与沿着V 型槽的母线方向滑动.V 型槽结构及相关参数标定见图2，假设在不考虑飞行器的主推力作用和在飞船间轴向夹角不超过限定值的条件下，保证锁柄能落入到V 型槽底部，则得到如下公式

其中

图2 V 型槽结构Fig.2 Structure of V-shaped slot

假设作用点处滑动速度不改变方向且不等于零，则可以进一步减少自由度，简化当量数学模型和摩擦的计算.此时，作用点处的摩擦被看作是沿某一方向的常值，并与法向力具有正比例关系.因此，合反力(摩擦力加上法向力)与法线的夹角为ρ，且ρ=arctan λ，其中λ 为摩擦系数.在这种情况下，当量重量的表达式为

其中βi为向量与作用点处切线之间的夹角.

考虑最恶劣工况初始碰撞只有一个锁柄与V 型槽相碰，轴向黏弹性缓冲器(其参数相应地为C1，C2，K1，K2),缓冲器的相应变形量为ε1和ε2，可以得到

从上式可以看出，缓冲器的变形可以由当量重量为Mn的物体及其位移分别为ε1cos β1和ε2cos β2两个并联的缓冲器的撞击模型来描述，其变形系数相应为(K1+C1)/sin(β1+ρ)和(K2+C2)/sin(β1+ρ)

3 仿真计算

由于空间中主动飞行器和目标飞行器飞行位姿和精度的不同，对接初始条件也随之产生变化，不同工况下对接机构的捕获能力与缓冲能力均有所偏差.本文设计了两种不同且较为典型的对接初始条件工况，分别对抱爪式对接机构进行动力学仿真，分析其捕获缓冲过程的能量变化以及受力情况.具体的对接初始条件工况如表2 所示.

表2 对接初始条件工况Table 2 Initial condition of docking

从图3 工况1 对接过程可以看到，抱爪机构成功将目标飞行器捕获，两飞行器校正完成.

从图4 工况1 仿真结果可以看到，系统在正碰下的动能在目标飞行器第一次接触V 型槽并回弹后，动能从152 N·m 下降至109 N·m，系统动能下降了约28.3%，校正完成后系统动能最终下降了47.4%.3 个V 型槽最大受力约2700 N，且持续时间较短，最终V 性槽2 稳定在600 N 左右.目标飞行器受力最大峰值为6100 N 左右，出现在第一次接触时，此后的接触力不超过3000 N，并随着校正过程逐渐减小至稳定.根据飞行器相对速度变化情况可以得到第一次接触碰撞后的恢复系数约为0.64.

图3 工况1 对接过程Fig.3 Process of docking of 1st working condition

图4 工况1 仿真结果Fig.4 Simulation result of 1st working condition

从图5 工况2 对接过程可以看到，在此工况下抱爪成功将目标飞行器捕获，两飞行器校正完成.

图5 工况2 对接过程Fig.5 Process of docking of 2nd working condition

从图6 工况2 仿真结果可以看到，系统在正碰下的动能在目标飞行器第一次接触V型槽并回弹后，动能从175 Nm 下降至120 Nm，系统动能下降了约31.4%，校正完成后系统动能最终下降了44.5%.3 个V 型槽最大受力约4300 N，且持续时间较短，V 型槽后期稳定在500 N 至1200 N 之间波动.目标飞行器受力最大峰值为4400 N 左右，出现在第一次接触时，此后的接触力不超过3200 N，并随着校正过程逐渐减小至稳定.根据飞行器相对速度变化情况可以得到第一次接触碰撞后的恢复系数约为0.42.

图6 工况2 仿真结果Fig.6 Simulation result of 2nd working condition

4 结论

根据捕获缓冲机构动力学分析和仿真分析，可以得到以下结论:

抱爪式对接机构的飞行碰撞恢复系数对捕获功能具有一定的影响，需要根据机构构型尺寸设计满足任务需求的捕获缓冲系统边界条件，从而调整恢复系数保证捕获成功率；

根据对接初始条件的不同，工况2 的初始动能比工况1 大，而由于V型槽接触面与锁柄间的摩擦作用，工况2 下的目标飞行器受力小于工况1，由此可见在正碰以外的工况条件下，V 型槽与锁柄的摩擦系数对整体飞行器碰撞力具有较大影响；

抱爪机构在对目标飞行器锁柄完全抱拢后，锁柄在V 型槽与爪钩仍有一定的运动间隙，从而导致校正后期V 型槽仍具有一定的受力，但对实际捕获缓冲功能影响较小；

抱爪式对接机构的缓冲系统能很好消耗整个系统对接过程的动能，在抱爪爪钩的作用下能够稳定实现目标飞行器的捕获和校正功能.两飞行器第一次接触后的动能下降约30%，校正稳定后最终系统动能下降约45%，能满足设计需求.

根据第一次接触碰撞后的飞行器相对速度变化情况，工况1 的恢复系数大于工况2，据此可知正碰工况对于捕获缓冲能力相对较弱，在非正碰工况下，V 型槽的斜面导向对最终的捕获起了很大作用.