液壓定位器在航天器吊裝中的應(yīng)用分析

杜瑞兆，胡瑞欽，邢 帥，賀 云

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

液壓定位器在航天器吊裝中的應(yīng)用分析

杜瑞兆，胡瑞欽，邢 帥，賀 云

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

吊裝作業(yè)是航天器總裝過(guò)程中重要的工況之一，液壓定位器能夠控制吊裝精度。隨著我國(guó)航天器尺寸、重量的不斷增大，對(duì)吊裝精度提出了更高的要求。在分析航天器吊裝工藝的基礎(chǔ)上，提出了航天器吊裝對(duì)接中的碰撞力計(jì)算模型。通過(guò)動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS，分析了不同下落距離下航天器的對(duì)接碰撞過(guò)程，得到了航天器對(duì)接碰撞的沖擊加速度變化曲線(xiàn)。以某航天器艙體吊裝為例，仿真分析了在不同精度下艙體對(duì)接過(guò)程中碰撞產(chǎn)生的最大加速度。計(jì)算結(jié)果表明隨著定位精度提高，航天器對(duì)接中產(chǎn)生的最大加速度線(xiàn)性下降，能夠確保航天器吊裝過(guò)程中的安全。

航天器；吊裝；液壓定位器；碰撞分析；動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS

隨著我國(guó)航天工業(yè)的不斷發(fā)展，航天器的尺寸、重量不斷增大，對(duì)吊裝過(guò)程的穩(wěn)定性、安全性提出了更高的要求。目前航天器的吊裝普遍使用天車(chē)，在對(duì)接或拆分等敏感階段難以進(jìn)行精確的定位控制。此外，采用天車(chē)吊裝需要對(duì)吊車(chē)頻繁地進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)剎車(chē)，慣性會(huì)導(dǎo)致航天器的不規(guī)則擺振，而這種現(xiàn)象極易造成航天器本身和待對(duì)接設(shè)備的損壞，甚至危及作業(yè)人員的人身安全。因此，亟需采取措施改善航天器吊裝過(guò)程的定位精度和穩(wěn)定性。

1 航天器吊裝對(duì)接工藝

1.1 航天器吊裝流程

航天器的吊裝作業(yè)貫穿航天器總裝的全過(guò)程，自部裝交付總裝到航天器發(fā)射都伴隨著吊裝作業(yè)。航天器總裝過(guò)程中的典型吊裝流程如圖1所示。

圖1 航天器總裝過(guò)程中的典型吊裝流程Fig.1 Typical flow of hoisting of spacecraft assembly

航天器吊裝作業(yè)中總裝廠(chǎng)房的天車(chē)吊是吊裝的動(dòng)力源。在現(xiàn)有的總裝條件下，航天器下落的高度、速度控制主要依靠天車(chē)操作人員的技能，在被吊物接近對(duì)接面時(shí)，需要對(duì)被吊物的高度進(jìn)行細(xì)微的控制，避免其以過(guò)快的速度與對(duì)接面相撞，帶來(lái)過(guò)高的沖擊加速度，對(duì)航天器中的敏感部位帶來(lái)?yè)p傷。

在實(shí)際的作業(yè)過(guò)程中，艙體下落對(duì)接距離的控制主要依靠天車(chē)吊操作人員的點(diǎn)動(dòng)控制技能，不同的天車(chē)吊操作人員可實(shí)現(xiàn)的最小下落距離具有較大的差異。因此，在航天器吊裝中，需要一種精密對(duì)接控制裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)“微米”級(jí)對(duì)接距離控制，降低對(duì)天車(chē)吊操作人員技能的依賴(lài)，提高航天器對(duì)接過(guò)程中的安全性。

1.3 液壓定位器原理及應(yīng)用

液壓定位器是一種精確吊裝定位裝置，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由上部聯(lián)接環(huán)、稱(chēng)重傳感器、壓力顯示盤(pán)、載荷液晶顯示屏、液壓缸、氣缸、提升泵、下行泵、控制手柄、下部聯(lián)接環(huán)等組成。

圖2 液壓定位器組成示意圖Fig.2 Constitution of hydraulic positioner

液壓定位器的工作原理如圖2所示，當(dāng)液壓定位器提升時(shí)，外部液壓缸中的液壓油由泵壓出，活塞上行。當(dāng)液壓定位器下降時(shí)，液壓油因負(fù)載重量自行被壓入外部液壓缸，活塞下行。液壓定位器由于使用液壓驅(qū)動(dòng)，并采用精密的電液控制，具有較大的承載能力、極低的運(yùn)動(dòng)速度和高的位置定位精度，位置控制精度可達(dá)0.025 mm，滿(mǎn)足航天器精密吊裝對(duì)接的需求。

在液壓定位器上通常配置有載荷重量顯示屏，通過(guò)觀察載荷重量顯示讀數(shù)的變化，能夠?qū)崟r(shí)發(fā)現(xiàn)吊裝過(guò)程中可能導(dǎo)致磕碰或刮蹭問(wèn)題的潛在危險(xiǎn)。同時(shí)顯示屏還可以用于吊車(chē)自身載荷的顯示，有效防止吊車(chē)、吊鉤過(guò)載，并對(duì)吊裝全過(guò)程中吊帶、吊車(chē)的承載進(jìn)行監(jiān)視。吊裝過(guò)程中一旦出現(xiàn)任何附加阻力導(dǎo)致載荷顯示讀數(shù)大于載荷自身重量時(shí)，載荷升降動(dòng)作立即停止，操作人員可以在無(wú)風(fēng)險(xiǎn)情況下及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理吊裝或拆分過(guò)載出現(xiàn)的刮蹭或磕碰問(wèn)題。

液壓定位器作為精密吊裝對(duì)接裝置已在國(guó)外航空航天領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，如圖3所示。圖3（a）為美國(guó)宇航局（NASA）的肯尼迪宇航中心工作人員利用液壓定位器直接將洛馬公司丹佛工廠(chǎng)制造的8 000磅（1磅≈454 g）的“火星奧德賽飛行器”組合在安裝平臺(tái)上；圖3（b）為航天飛機(jī)著陸后轉(zhuǎn)場(chǎng)過(guò)程中，美國(guó)宇航局（NASA）同時(shí)使用3臺(tái)液壓定位器完成航天飛機(jī)與波音747飛機(jī)的安全而精密的結(jié)合；圖3（c）為日本航空航天探索局（JAXA）總裝過(guò)程中采用液壓定位器進(jìn)行HTV貨運(yùn)飛船吊裝對(duì)接作業(yè)。

圖3 液壓定位器在航天器吊裝中的應(yīng)用Fig.3 Application of hydraulic positioner in spacecraft hoisting

2 航天器吊裝對(duì)接碰撞計(jì)算模型

在航天器吊裝對(duì)接過(guò)程中，艙體自由落體后與對(duì)接面發(fā)生碰撞，產(chǎn)生碰撞力作用在艙體上，使其產(chǎn)生相應(yīng)的加速度。在碰撞力計(jì)算中，采用沖擊函數(shù)，通過(guò)剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)來(lái)計(jì)算碰撞力［1］。沖擊函數(shù)法根據(jù)Impact函數(shù)來(lái)計(jì)算兩個(gè)構(gòu)件之間的碰撞力［2-3］，Impact函數(shù)由兩部分組成：一個(gè)是由于兩個(gè)構(gòu)件之間的相互切入而產(chǎn)生的彈性力，另一個(gè)是由于相對(duì)速度產(chǎn)生的阻尼力［4］。Impact函數(shù)的表達(dá)式為：

式（1）中，q0為兩碰撞物體的初始距離，q為兩物體碰撞過(guò)程中的實(shí)際距離；dq/dt為兩物體距離隨時(shí)間的變化率；k為剛度系數(shù)，e為碰撞指數(shù)，cmax為最大阻尼系數(shù)；d為切入深度，它決定了何時(shí)阻尼力達(dá)到最大。為了防止碰撞過(guò)程中阻尼力的不連續(xù)，采用了step函數(shù)，其形式為step（x，x0，h0，x1，h1），按下式進(jìn)行計(jì)算：

繼電保護(hù)裝置在內(nèi)的相關(guān)二次系統(tǒng)發(fā)生回路斷線(xiàn)、硬件失效、方向元件輸出錯(cuò)誤等而使跳閘信號(hào)不能正確產(chǎn)生、傳輸，或斷路器機(jī)構(gòu)故障導(dǎo)致不能跳閘，稱(chēng)其為第一類(lèi)拒動(dòng)，以指數(shù)分布模型表示其概率:

式（2）中，a=h1-h0；Δ=（x-x0）/（x1-x0）。

由公式（1）可知，采用Impact函數(shù)計(jì)算碰撞力需要確定剛度系數(shù)k、碰撞指數(shù)e、阻尼系數(shù)cmax和阻尼系數(shù)達(dá)到最大所要經(jīng)過(guò)的距離d。

3 航天器吊裝對(duì)接仿真分析

3.1 建立仿真模型

某航天器艙體吊裝模型如圖4所示。根據(jù)實(shí)際工況，待對(duì)接面為鋼支撐面上鋪設(shè)3 mm厚的硅膠墊。直接碰撞的雙方是艙體與硅膠墊，二者的彈性模量相差4個(gè)數(shù)量級(jí)，艙體與硅膠墊的接觸形式視作是一種非線(xiàn)性彈簧的形式，將構(gòu)件材料的彈性模量當(dāng)成彈簧的剛度，阻尼作為能量損失［5］。將硅橡膠的彈性模量作為二者碰撞的剛度系數(shù)，即k=2.14×106N/m。最大阻尼系數(shù)cmax表征碰撞能量的損失，其值設(shè)為剛度系數(shù)的0.1%～1.0%，將其設(shè)定為cmax=4×103N·s/m。碰撞指數(shù)e反映了材料的非線(xiàn)性程度，金屬與橡膠材料為2，取e為2。切入深度表征最大阻尼時(shí)的侵入深度，剛碰撞時(shí)，沒(méi)有阻尼力；隨著侵入深度增大，阻尼力加大，直到最大阻尼力，取d=0.1 mm。

圖4 航天器吊裝對(duì)接仿真模型Fig.4 Simulation model of spacecraft hoisting

艙體材料設(shè)為鋁（彈性模量：71.7 GPa，泊松比：0.33），質(zhì)量為5 t。鋼支撐面的彈性模量為207 GPa，泊松比0.29。硅膠墊的材料為硅橡膠，材料參數(shù)的彈性模量2.14 MPa，泊松比0.48。在仿真中艙體、鋼支撐面設(shè)置為剛性體，而硅膠墊在碰撞中會(huì)產(chǎn)生大的變形，設(shè)置為柔性體。

3.2 吊裝碰撞仿真分析

利用動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS對(duì)航天器自由落體后與對(duì)接面的碰撞過(guò)程進(jìn)行仿真，得到航天器在不同高度自由落體后碰撞產(chǎn)生的沖擊加速度，并對(duì)下落距離與沖擊加速度的相對(duì)關(guān)系進(jìn)行分析。

對(duì)艙體距橡膠墊上表面1、2、3、4、5 mm的對(duì)接情況分別進(jìn)行仿真，得到自由落體后碰撞對(duì)艙體產(chǎn)生的最大加速度。仿真積分器采用WSTIFF類(lèi)型，積分格式采用SI2類(lèi)型。仿真步長(zhǎng)為10-4s，仿真時(shí)長(zhǎng)為0.1 s。仿真的加速度曲線(xiàn)如圖5所示。

從圖5艙體加速度隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)可以看到，艙體在接觸到對(duì)接面前的加速度為重力加速度，在碰撞的瞬間加速度出現(xiàn)一個(gè)峰值，即是保證航天器安全所要關(guān)心的最大沖擊加速度。圖5中給出的只是加速度的幅值大小隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)，并不包含加速度的正負(fù)方向信息，若考慮方向，艙體碰撞后一定時(shí)間內(nèi)加速度應(yīng)與自由下落時(shí)的加速度方向相反。

圖5（a）～圖5（e）中艙體在不同高度自由落體碰撞產(chǎn)生的最大加速度如表1所示，最大加速度隨起始下落高度的變化曲線(xiàn)如圖6所示。艙體自由落體碰撞產(chǎn)生的最大加速度隨起始下落高度的增大而增大，因此，起始下落高度越小，艙體下落后受到?jīng)_擊越小，越有助于保證航天器的安全。

表1 艙體不同高度自由落體碰撞的最大加速度Tab.1 Maximal acceleration of free falling impact of capsule from different heights

圖5 艙體不同高度自由落體碰撞的加速度曲線(xiàn)Fig.5 Acceleration curve of drop impact of capsule from different heights

圖6 艙體碰撞的最大加速度與下落高度的曲線(xiàn)Fig.6 Curve of maximum acceleration and droping height of capsule impact

4 結(jié)論

在航天器吊裝過(guò)程中，艙體所承受的加速度是影響安全的最重要因素。在短距離范圍內(nèi)，艙體下落的加速度與下落距離相關(guān)。本文通過(guò)動(dòng)力學(xué)仿真，對(duì)不同下落距離下航天器的對(duì)接碰撞過(guò)程進(jìn)行了分析，得到不同下落距離下航天器對(duì)接碰撞的沖擊加速度，得到了下落距離與最大沖擊加速度的關(guān)系。研究結(jié)果表明液壓定位器可實(shí)現(xiàn)航天器吊裝過(guò)程中“微米”級(jí)下落距離控制，能夠確保航天器吊裝過(guò)程中的安全。

（References）

［1］張愛(ài)蓮，陳書(shū)劍.ADAMS柔性體建模技術(shù)研究［J］.礦山機(jī)械，2011，32（6）：95-97.

［2］魏衍俠.基于ADAMS的手拋式機(jī)器人碰撞動(dòng)力學(xué)分析［J］.機(jī)械工程與自動(dòng)化，2011（2）：82-85.

［3］謝最偉，吳新躍.基于ADAMS的碰撞仿真分析［C］//中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì).第三屆中國(guó)CAE工程分析技術(shù)年會(huì)論文集，2007：339-342.

［4］袁點(diǎn)，王剛.基于ADAMS的槍機(jī)碰撞力研究［J］.機(jī)械工程與自動(dòng)化，2013（4）：62-64.

［5］李增剛.ADAMS入門(mén)詳解與實(shí)例［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2006.

（責(zé)任編輯：范建鳳）

Analysis of Application of Hydraulic Positioner in Spacecraft Hoisting

DU Ruizhao，HU Ruiqin，XING Shuai，HE Yun
（Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering，Beijing 100094，China）

Hoisting is one of the most important processes in assembly of spacecraft.Hydraulic positioner is able to control the assembly procession of spacecraft.Because the size of Chinese spacecraft gets larg?er，and the weight gets heavier，the requirements of stability and safety in hoisting process are becoming more strict.Basing on the assembly process of spacecraft，this paper put forward a calculation model of im?pact acceleration for spacecraft assembly.One spacecraft is taken for example，which simulation model is built.The drop impacts of spacecraft from different heights are simulated by ADAMS software.The acceler?ating curve of the drop impacts is achieved，which shows that higher precision of height controlling in hoisting is better for the safety of spacecraft.The result of this paper has practical value for spacecraft hoisting.

spacecraft；hoisting；hydraulic positioner；collision analysis；ADAMS

V465

：A

：1673-0143（2015）06-0566-05

10.16389/j.cnki.cn42-1737/n.2015.06.015

2015-08-28

杜瑞兆（1986—），男，工程師，碩士，研究方向：貨運(yùn)飛船總裝工藝。