空间站舱段平转式转位方案设计与验证

罗超 罗文成 刘冬雨 史纪鑫

(北京空间飞行器总体设计部,北京 100094)

空间站是一个国家科技水平和制造能力综合实力的体现,当前在轨运行的只有中国空间站和以美国为主导、16国参与的“国际空间站”[1-2]。中国空间站已于2022年年底正式建成并投入运营,由核心舱和2个实验舱组成T字构型,提供3个对接口,支持载人飞船、货运飞船及其他来访航天器的对接和停靠[3]。

空间站规模庞大,在没有航天飞机规模的大型运输工具情况下,无法一次发射入轨。另外,从轨道面外直接侧向交会对接在轨道/姿态控制、对接机构捕获连接、舱体冲击扰动等方面均存在困难,截至目前还未能在轨实现[4-5]。因此,空间站在轨道面外的舱段级扩展,一般要通过轴向交会对接加侧向转位方式来实现,最终完成积木加局部桁架混合构型的大型空间站组装建造。根据组建工具不同,空间站有转位机构组建和机械臂组建2种方案。和平号空间站采用翻转式转位机构实现舱段从轴向对接口转位至侧向对接口[6]。其特点是:翻转式转位机构结构简单、尺寸小,可以实现从轴向对接口转位至2个相邻侧向对接口;但被转舱段在转位前后发生90°滚转,即舱体指向发生了改变[7]。“国际空间站”则采用空间机械臂直接捕获、抓取舱体到侧向对接口,但需要通用停靠机构(CBM)配合实现无撞击式对接[8]。

我国空间站采用以转位机构为主份、大机械臂为备份的组建方案。根据任务需求,2个实验舱在转位前后舱体对天/地指向均要求保持不变,主要原因有:①实验舱配置的姿态敏感器、测控天线等设备,在独立飞行期间和转位停靠后对天/地指向均保持不变,既可保证单舱飞行需求,又可作为整站冗余备份,提高系统可靠性;②问天实验舱在舱体对地方向配置有专用气闸舱,要求在转位后仍朝向地面,提高航天员出舱安全性;③2个实验舱在对天/地方向安装的舱外载荷,要求转位后仍维持指向不变,提高对载荷的支持能力。根据上述任务需求,为满足系统性能最优的目标,本文首次提出了平转式舱段转位方案,经地面试验和在轨任务实施验证了方案的正确性,能保障空间站组装建造顺利完成。

1 平转式转位方案设计

1.1 总体方案

我国空间站组装建造过程可概述为:2个实验舱先后与核心舱轴向交会对接,再通过舱段转位方式分别将其转移至节点舱的左右两侧,与节点舱刚性连接,组成空间站三舱T字基本构型,见图1。

图1 我国空间站组装建造过程

采用国际上已有的翻转式舱段转位方案也能够完成实验舱转位任务,但实验舱在转位前后舱体指向会发生改变,这将导致:实验舱单独飞行时配置的姿态敏感器、测控天线无法在三舱构型下使用,降低了整站系统可靠性;问天实验舱的气闸舱在转位后不再朝向地面,更易受空间碎片撞击,航天员出舱安全性下降;实验舱载荷在发射时必须安装在舱体侧向,才能够满足转位后舱外载荷对天/地指向的要求,舱体侧向安装位置有限,导致对载荷支持能力下降。因此,从系统最优角度考虑,翻转式舱段转位方案不适合我国空间站组装建造任务。

为满足2个实验舱在转位前后舱体对天/地指向均保持不变的任务需求,我国空间站舱段转位需要采用与国际上翻转式转位不同的平转式转位方案,即要求被转舱段只在平面内旋转,舱体本身无滚转运动,确保舱体对天/地指向保持不变,从而提升空间站平台备份能力、航天员出舱安全性和对载荷的支持能力,实现系统最优的目标。同时,由于我国空间站配置的异体同构周边式对接机构,属于撞击捕获式对接机构,在实验舱转动到侧向对接口后,需要克服较大的阻力才能完成捕获对接。如果采用机械臂转位,由于臂杆尺寸较大,其关节出力不足以克服对接机构捕获力,因而需要实验舱轨控发动机点火实现撞击式捕获,这就会对空间站组合体姿态产生较大干扰,影响转位期间的测控通信,降低任务可靠性。因此,需要设计适合平面转位的平转式转位机构,作为转位任务的专用工具。

结合以上任务需求可知,转位机构需要具备转动精度高、臂杆尺寸短、关节出力大的特点,不仅能够带动舱体在平面内精准转动90°,还能够克服侧向对接的捕获力,与对接机构配合完成转位后再对接,即实验舱平面转动到侧向对接口后,由转臂关节锁定来保持实验舱相对核心舱的位置和姿态不变,之后对接机构对接环推出,压紧捕获锁,进而实现无撞击的静态捕获。这样,全程不需要实验舱轨控发动机点火来辅助对接,对组合体姿态无干扰,能有效提高转位任务可靠性。据此设计的转位机构分为转臂和基座2个部分,如图2所示。其中:转臂可以看作2自由度的小机械臂,安装在实验舱上,具有2个回转轴线平行的关节,与实验舱固联的转臂关节为肩关节,另一端关节为腕关节,用于捕获核心舱上的基座;2个基座安装在核心舱节点舱左右两侧,与实验舱转臂配合,分别将2个实验舱转位至节点舱的两侧对接口。

图2 平转式转位机构基座与转臂

转臂通过肩、腕关节交替转动,带动实验舱在平面内旋转90°,从轴向对接口转位至侧向对接口。图3以问天实验舱为例给出了平转式转位机构路径,梦天实验舱转位路径与之镜像对称。

图3 问天实验舱转位路径

相对翻转式转位方案,平转式转位方案具有被转舱段指向不变的优点,满足我国空间站任务需求,实现系统性能最优。同时,平转式转位机构也存在关节运动耦合、缓冲系统复杂、结构质量大、只能“一对一”转位(翻转式转位可以由轴向对接口转位至2个相邻侧向对接口,实现“一对二”转位)等特点。

在明确采用上述平转式转位方案后,设计舱段转位实现方案,解决转位过程中空间站姿态稳定指向难题,设计选取了转位任务窗口,以确保转位全程测控链路畅通、能源充足,从而提高任务安全性和可靠性。

1.2 舱段转位实现方案

1.2.1 实验舱转位流程

实验舱转位流程始于主动对接机构的对接锁解锁,对接机构与转位机构配合动作,转位流程如图4所示。①对接锁解锁,对接环推出,实验舱和核心舱仍由对接机构连接;②转位机构肩关节转动,带动腕关节捕获核心舱基座,对接环收回,实验舱和核心舱由转位机构连接;③腕关节转动45°,带动实验舱相对于核心舱在平面内转动45°;④腕关节继续转动117°,同时肩关节转动117°,带动实验舱在平面内平动,实验舱和核心舱轴线夹角保持45°不变;⑤腕关节最后转动45°,带动实验舱转位至侧向对接口,实验舱和核心舱轴线夹角达到90°;⑥对接环推出,捕获核心舱侧向对接机构,转位机构转臂与基座解锁、收回,对接环拉回,对接锁锁紧,转位完成。从整个空间站测控和能源安全角度考虑,实验舱转位时长不超过90min。

图4 转位机构与对接机构配合转位流程

1.2.2 转位姿态飞行方案

实验舱转位过程中,空间站组合体从初始状态的对接机构刚性连接变为转位机构连接,整站刚度将下降2个数量级,转位机构负载23t实验舱舱体后的组合体基频只有约0.02Hz,形成大惯量、超低频、变构型的刚柔耦合多体系统,给动力学建模和姿态控制均带来较大困难[9]。同时,对接机构、转位机构在机构动作期间的抗载荷能力较弱,限制姿态控制力矩不能超过100N·m,使得姿态控制方案设计难度极大。因此,为减小转位期间舱体激励载荷,采用空间站姿态主动停控的方案,即:从对接机构对接锁解锁时刻起,空间站姿态处于停控状态;直至转位完成,对接锁重新锁紧,空间站恢复为对接机构刚性连接,姿态控制启动,恢复3轴稳定飞行姿态。

通过仿真分析发现,在3轴稳定对地飞行姿态下开始实验舱转位,在姿态主动控制停止后,空间站组合体将处于自由漂浮状态。在重力梯度力矩和大气阻力力矩等环境干扰力矩影响下,空间站姿态角会发生大幅度漂移:滚动轴和偏航轴漂移大于360°、俯仰轴漂移大于180°,姿态角速度大于0.3(°)/s,导致转位期间天地测控通信断断续续,严重影响任务安全性和可靠性。

为满足空间站指向稳定的需求,采用以重力梯度力矩和气动力矩为主要控制力矩的被动稳定飞行姿态,作为转位开始时刻的初始姿态,如图5(a)图所示。具体为:核心舱后端对接口向下指向地球,空间站太阳翼水平/垂直归零锁定,以最小迎风面飞行,核心舱3-1-2欧拉角为(0°,90°,90°)。该飞行姿态有效利用了空间站组合体大长径比的构型特点,俯仰(沿本体坐标系oxyz的oy轴)和偏航(沿oz轴)通道由重力梯度力矩分量My和Mz控制,滚转通道(沿ox轴)由实验舱太阳翼产生的大气阻力力矩Mx控制,如图5(b)所示,从而实现空间站在姿态停控下的3轴被动稳定控制。为保障转位期间测控通信畅通,空间站3轴姿态角漂移应不超过50°,姿态角速度不大于0.1(°)/s。

注:本体坐标系oxyz与空间站本体固连;轨道坐标系OXYZ通过3-1-2转序(0°,90°,90°)转动得到本体坐标系oxyz。

1.2.3 转位窗口选取方案

空间站转位期间采用重力梯度被动稳定姿态飞行,该姿态与常规3轴稳定对地定向飞行姿态不同,必须选取合适的任务窗口,才能使得舱段转位过程中空间站中继测控链路持续保持畅通,确保地面飞控人员对转位任务全程可见可控,并在故障情况下及时采取处置措施,进而大幅度提高任务安全性和可靠性。

实验舱开始转位后,与核心舱间的电气连接将断开,两舱通过各自配置的中继天线下行遥测数据及接收地面指令,即采用双目标测控体制:核心舱中继天线、实验舱中继天线分别跟踪中继卫星,建立稳定的天地测控链路。

为提高转位过程的测控覆盖率,结合转位构型及初始姿态、中继天线在空间站上的安装位置、中继卫星位置等因素,通过轨道特点分析和测控仿真的方法将转位窗口选择在目标中继卫星位于空间站轨道面同侧的飞行弧段,以使核心舱和实验舱的中继天线持续朝向同侧中继卫星方向,由2颗相邻的中继卫星接力提供测控区,可满足测控覆盖时长大于转位时长的任务需求。仿真结果表明,转位过程测控覆盖率达到100%,保证了转位全程可见可控。

1.2.4 能源平衡方案

空间站转位采用非常规的飞行姿态,为尽可能降低气动力矩对姿态的干扰影响,各舱段太阳翼应锁定在水平或垂直状态,这将导致整个空间站发电能力相应降低。为确保转位期间空间站平台能源充足,在转位前状态设置期间,将各舱段储能电池电压升高以储备更多电能,并将太阳翼锁定方向朝向光照面;另外,对于耗能较高的设备和载荷,则根据任务优先级分别采取降档、待机或关机的措施,以降低整个空间站负载。转位过程中,空间站各舱段放电深度应不超过50%。

1.2.5 大机械臂备份转位待命方案

空间站大机械臂同样具备转位舱段的功能,负载能力、到位精度、可靠性均能够满足转位任务要求[10]。它与转位机构转位的区别在于:①机械臂除舱段转位任务外,还承担舱外设备安装及维修、辅助航天员出舱等多项任务,转位机构则是专为转位任务设计的专用工具;②机械臂具备7个自由度,与转位机构相比更加灵活,操作空间更大,刚度则较低,尤其在大负载情况下,柔性特性明显;③机械臂末端承载较转位机构小,转位后侧向再对接时需要实验舱轨控发动机点火辅助捕获对接,会对空间站姿态产生较大干扰,不利于测控通信。综合考虑后,我国空间站确定以转位机构为主份、大机械臂为备份的舱段转位方案。

转位机构执行转位任务期间,大机械臂一端固定在核心舱上,另一端悬停在实验舱上方。一方面,利用机械臂相机居高临下拍摄转位高清图像,并通过天地测控链路向地面实时传输;另一方面,在转位机构出现严重故障导致无法继续转位时,及时介入接手,捕获实验舱,继续接力完成转位任务。机械臂相对舱体的惯量不足1%、迎流面积不足0.1%,其位置和姿态对组合体姿态影响可以忽略不计,但必须确保机械臂不遮挡测控链路和敏感器视场。

1.2.6 舱外摄像支持方案

转位期间,除机械臂相机外,还可调用空间站多台舱外摄像机从不同角度拍摄转位过程,并向地面实时传输多路高清图像,实现无死角、全方位监控在轨转位全程,并辅助地面判断转位状态及应急故障处置,进一步提高任务可靠性。为满足转位过程地面可见的需求,在设计选取转位窗口时还综合考虑太阳光照的约束条件,进一步优选出转位任务窗口。

2 方案验证

2.1 仿真验证

将核心舱、实验舱舱体作为刚体考虑,核心舱太阳翼、实验舱太阳翼、转位机构转臂作为柔性体考虑,建立空间站转位多体动力学仿真模型。通过空间站组合体动力学与控制联合仿真软件,开展重力梯度力矩、大气阻力力距计算模型的联合交互式仿真,如图6所示。

图6 空间站组合体动力学与控制联合仿真架构

以空间站转位初始姿态角(0°,90°,90°)、3-1-2转序作为仿真初始条件,开始舱段转位仿真。在停止姿态主动控制的情况下飞行约4000s后,核心舱3轴欧拉角最大漂移量不超32°,姿态角速度不超过0.05(°)/s,满足3轴欧拉角漂移不超过50°、姿态角速度不大于0.1(°)/s的指标要求,如图7所示。仿真结果表明:①转位全程空间站组合体姿态处于被动稳定,确保测控链路通畅;②滚动轴指向在1000s后变化显著增大,该时刻实验舱相对于核心舱开始转动,此时核心舱姿态变化是由于实验舱转动引起的两舱间角动量交换。

注:Az,Ax,Ay分别为按3-1-2转序第1次、第2次和第3次旋转角。

2.2 地面试验验证

为验证空间站舱段平转式转位方案的正确性,在地面利用气浮台和舱体模拟器搭建转位机构转位实验舱地面验证试验平台,如图8所示。

图8 转位机构转位实验舱地面验证试验

在图8中,转位机构、对接机构均采用与空间站状态一致的产品,安装在舱体模拟器上。舱体模拟器底座上安装气足,放置在气浮平台上,通过气浮方式实现重力卸载,以减小在平面内2维运动及偏航转动的摩擦力,模拟转位期间的失重环境,可以真实验证平转式转位路径、转位流程、机构动作时序、机构精度匹配的正确性。指令发送、遥测信息接收的设备及链路与空间站状态一致,可以验证舱段转位信息流交互的协调性和接口匹配性。试验结果为:①转位机构能够带动实验舱模拟器从核心舱模拟器的轴向对接口转位至侧向对接口,表明平转式转位路径设计正确;②对接机构与转位机构动作协调匹配,按时序完成了解锁、分离、转位、侧向捕获、对接锁紧等动作,转位流程中涉及机构精度匹配的3个环节——转臂捕获基座精度、实验舱转动到位精度、对接机构侧向捕获精度均优于精度链分配的指标要求,表明转位流程、机构动作时序、机构精度链匹配性设计正确;③转位相关指令发送、遥测信息接收正确,验证了舱段转位信息流交互的协调性和空间站产品信息接口匹配性。

2.3 在轨验证

2022年9月30日11:45,问天实验舱转位开始;45min后转位至核心舱IV象限对接口,见图9;12:44,问天实验舱对接机构侧向锁紧完成,空间站组合体由两舱一字构型变为L字构型并恢复至刚性连接,姿态控制启动,问天实验舱转位任务圆满完成。

图9 问天实验舱转位任务

2022年11月3日08:33,梦天实验舱转位开始;45min后梦天实验舱转位至核心舱II象限对接口;09:32,梦天实验舱对接机构侧向锁紧完成,空间站组合体由三舱├构型变为T字构型并恢复至刚性连接,姿态控制启动,梦天实验舱转位任务圆满完成。

在2次实验舱转位任务中,空间站姿态角实测数据与仿真结果吻合(如图10所示),仿真误差优于4%,姿态角速度不超过0.05(°)/s,整个空间站指向稳定,验证了转位姿态飞行方案的正确性。

图10 2次转位任务姿态实测数据与仿真结果对比

转位全程测控链路畅通,地面通过遥测数据和高清视频图像监控实验舱转位。空间站能源充足,转位时长满足指标要求,并留有裕度,有效保障了空间站平台和航天员的安全,全面验证了空间站舱段平转式转位方案的正确性。

3 结束语

空间站舱段转位作为空间站组装建造阶段最重要的任务,不容有失。针对我国空间站自身特点,首次提出了平转式舱段转位方案,满足了实验舱转位前后舱体指向保持不变的任务需求,实现了系统性能最优;设计了空间站转位飞行姿态,解决了停控状态下空间站姿态稳定指向的难题;设计选取转位任务窗口,确保转位全程测控链路畅通、光照充足,提高了转位任务的可靠性。地面试验和在轨2次实验舱转位任务,全面验证了空间站舱段平转式转位方案的正确性。空间站舱段转位作为一项已经成功在轨应用的技术,未来还可以应用于空间站扩展建造、大型空间设施在轨组建等领域。