液路浮動(dòng)斷接器安裝精度及優(yōu)化控制方法

李 喆，王偉臣，李興乾，柏林厚，鄭 昊

（中國空間技術(shù)研究院 載人航天總體部，北京 100094）

0 引言

為延長長期在軌航天器的運(yùn)行壽命并提高其綜合效益，推進(jìn)劑在軌加注已經(jīng)成為此類航天器設(shè)計(jì)中的必選項(xiàng)。在加注航天器和被加注航天器通過對接機(jī)構(gòu)連接為剛性組合體之后，須使用液路浮動(dòng)斷接器將加注管路連通，形成密封的通道，從而具備推進(jìn)劑在軌加注的條件。液路浮動(dòng)斷接器的主、被動(dòng)端分別安裝在兩個(gè)航天器上，兩航天器間和航天器內(nèi)部均存在安裝誤差，因此液路浮動(dòng)斷接器需具備一定的浮動(dòng)能力以適應(yīng)在插合過程中各安裝環(huán)節(jié)引起的總誤差[1-2]。本文旨在通過對各安裝環(huán)節(jié)的誤差分析，科學(xué)、合理地制定液路浮動(dòng)斷接器浮動(dòng)能力指標(biāo)，并探求減少誤差傳遞鏈路從而對安裝精度進(jìn)行優(yōu)化控制的方法。

1 液路浮動(dòng)斷接器工作原理

如圖1所示，液路浮動(dòng)斷接器采用插入式結(jié)構(gòu)，分為主動(dòng)端和被動(dòng)端。被動(dòng)端安裝于被加注航天器上，采用簡單的套筒結(jié)構(gòu)以提高對接可靠性。主動(dòng)端安裝在加注航天器上，由插入管、驅(qū)動(dòng)模塊和浮動(dòng)模塊3 部分組成。插入管是推進(jìn)劑通路，在驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)下伸出且插入到被動(dòng)端的套筒內(nèi)。插入管上設(shè)置有密封圈，與被動(dòng)端的套筒內(nèi)壁接觸并壓緊，以實(shí)現(xiàn)密封連接。驅(qū)動(dòng)模塊負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)插入管和浮動(dòng)模塊的推出或拉回，實(shí)現(xiàn)插合和分離功能。浮動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)對插入管橫向和角度的浮動(dòng)，以適應(yīng)對接誤差[3-4]。

圖1 液路浮動(dòng)斷接器結(jié)構(gòu)示意 Fig.1 Configuration of the fluid floating coupling

設(shè)液路浮動(dòng)斷接器橫向浮動(dòng)能力為ΔO，角度浮動(dòng)能力為Δα。當(dāng)主動(dòng)端基準(zhǔn)點(diǎn)與被動(dòng)端基準(zhǔn)點(diǎn)橫向位移≤ΔO，且主動(dòng)端基準(zhǔn)線與被動(dòng)端基準(zhǔn)線夾角≤Δα?xí)r，插入管可以可靠地插入套筒內(nèi)（如圖2所示）。

圖2 液路浮動(dòng)斷接器橫向浮動(dòng)和角度浮動(dòng)示意 Fig.2 Lateral and angular floating ability of the fluid floating coupling

2 坐標(biāo)系定義

2.1 對接機(jī)構(gòu)坐標(biāo)系

定義主、被動(dòng)對接機(jī)構(gòu)坐標(biāo)系Odaxdaydazda，Odpxdpydpzdp，如圖3、圖4所示[5-6]。

圖3 主動(dòng)對接機(jī)構(gòu)坐標(biāo)系 Fig.3 Coordinate system of the active docking mechanism

圖4 被動(dòng)對接機(jī)構(gòu)坐標(biāo)系 Fig.4 Coordinate system of the passive docking mechanism

2.2 液路浮動(dòng)斷接器坐標(biāo)系

定義液路浮動(dòng)斷接器主、被動(dòng)端坐標(biāo)系Ofaxfayfazfa，Ofpxfpyfpzfp，如圖5、圖6所示。

圖5 液路浮動(dòng)斷接器主動(dòng)端坐標(biāo)系 Fig.5 Coordinate system of the active end of the fluid floating coupling

圖6 液路浮動(dòng)斷接器被動(dòng)端坐標(biāo)系 Fig.6 Coordinate system of the passive end of the fluid floating coupling

2.3 液路浮動(dòng)斷接器安裝支架坐標(biāo)系

定義液路浮動(dòng)斷接器主、被動(dòng)端支架坐標(biāo)系Ohaxhayhazha，Ohpxhpyhpzhp，如圖7、圖8所示。

圖7 液路浮動(dòng)斷接器主動(dòng)端支架坐標(biāo)系 Fig.7 Coordinate system of the active-end holder

圖8 液路浮動(dòng)斷接器被動(dòng)端支架坐標(biāo)系 Fig.8 Coordinate system of the passive-end holder

3 安裝環(huán)節(jié)及誤差源分析

由于存在安裝誤差，導(dǎo)致Ofa和Ofp存在位移 誤差并且xfa軸和xfp軸存在角度誤差，而這兩項(xiàng)誤差將直接關(guān)系液路浮動(dòng)斷接器在軌是否能可靠插合。本文研究的對象即為這兩項(xiàng)誤差，以及導(dǎo)致這兩項(xiàng)誤差的各環(huán)節(jié)安裝誤差。

3.1 安裝環(huán)節(jié)分析

液路浮動(dòng)斷接器共存在5 個(gè)安裝環(huán)節(jié)，如圖9所示：

A——液路浮動(dòng)斷接器主動(dòng)端與其支架的安裝環(huán)節(jié)；

B——主動(dòng)對接機(jī)構(gòu)與液路浮動(dòng)斷接器主動(dòng)端支架的安裝環(huán)節(jié)；

C——主動(dòng)對接機(jī)構(gòu)與被動(dòng)對接機(jī)構(gòu)的在軌對接環(huán)節(jié)；

D——被動(dòng)對接機(jī)構(gòu)與液路浮動(dòng)斷接器被動(dòng)端支架的安裝環(huán)節(jié)；

E——液路浮動(dòng)斷接器被動(dòng)端與其支架的安裝環(huán)節(jié)。

圖9 液路浮動(dòng)斷接器安裝環(huán)節(jié) Fig.9 Installation links of the fluid floating coupling

3.2 誤差源分析

3.2.1 液路浮動(dòng)斷接器相對支架的安裝誤差分析

假設(shè)液路浮動(dòng)斷接器主、被動(dòng)端與其各自支架的安裝界面的加工等級(jí)和安裝方式相同，因此主、被動(dòng)端與支架之間按照相同的安裝誤差進(jìn)行分析，下面以主動(dòng)端為例展開分析。

如圖10(a)所示，將液路浮動(dòng)斷接器坐標(biāo)系原點(diǎn)Ofa與其在支架坐標(biāo)系下理論安裝點(diǎn)之間沿zha軸的位移誤差定義為支架坐標(biāo)系下液路浮動(dòng)斷接器z軸誤差，設(shè)其最大值為ΔOhL；將沿yha軸的位移誤差定義為支架坐標(biāo)系下液路浮動(dòng)斷接器y軸誤差，設(shè)其最大值為ΔOhU。

如圖10(b)所示，將液路浮動(dòng)斷接器坐標(biāo)系xfa軸與支架坐標(biāo)系xha軸之間的夾角定義為支架坐標(biāo)系下液路浮動(dòng)斷接器角度誤差，設(shè)其最大值為Δαhf。

圖10 液路浮動(dòng)斷接器與支架相對安裝誤差 Fig.10 Installation error between the fluid floating coupling and its end holder

液路浮動(dòng)斷接器與支架通常采用組合加工，ΔOhL、ΔOhU、Δαhf相對容易控制，因此這三者對Ofa和Ofp的位移誤差以及xfa軸和xfp軸的角度誤差影響較小。

3.2.2 液路浮動(dòng)斷接器支架相對對接機(jī)構(gòu)的安裝 誤差分析

假設(shè)液路浮動(dòng)斷接器主/被動(dòng)端支架與主/被動(dòng)對接機(jī)構(gòu)的安裝界面的加工等級(jí)和安裝方式相同，因此主/被動(dòng)端與主/被動(dòng)對接機(jī)構(gòu)之間按照相同的安裝誤差進(jìn)行分析，下面以主動(dòng)端為例展開分析。

如圖11(a)所示，將支架坐標(biāo)系原點(diǎn)Oha與其在對接機(jī)構(gòu)坐標(biāo)系下理論安裝點(diǎn)之間沿yda軸的位移誤差定義為對接機(jī)構(gòu)坐標(biāo)系下支架y軸誤差，設(shè)其最大值為ΔOdU；將沿zda軸的位移誤差定義為對接機(jī)構(gòu)坐標(biāo)系下支架z軸誤差，設(shè)其最大值為ΔOdL。

如圖11(b)所示，將支架坐標(biāo)系xha軸與對接機(jī)構(gòu)坐標(biāo)系xda軸之間的夾角定義為對接機(jī)構(gòu)坐標(biāo)系下支架角度誤差，設(shè)其最大值為Δαdh。

圖11 支架與對接機(jī)構(gòu)相對安裝誤差 Fig.11 Installation error between the docking mechanism and the holder

ΔOdU、ΔOdL在安裝過程中可通過調(diào)整墊片和螺釘與支架通孔間的間隙，從而保持在相對較小的范圍內(nèi)，因此ΔOdU、ΔOdL對Ofa和Ofp的位移誤差影響相對較小。

支架與對接機(jī)構(gòu)之間為L 型安裝面，安裝形式的不對稱性和L 型安裝面導(dǎo)致的角度不易調(diào)整，使Δαdh成為影響xfa軸和xfp軸之間角度誤差的最大因素。

3.2.3 主、被動(dòng)對接機(jī)構(gòu)的在軌對接誤差分析

1）對接機(jī)構(gòu)橫向誤差及其影響

將主、被動(dòng)對接機(jī)構(gòu)鎖緊后兩對接機(jī)構(gòu)坐標(biāo)系原點(diǎn)Oda和Odp的位移誤差定義為對接機(jī)構(gòu)橫向誤差，設(shè)其最大值為ΔOd，則有

式中：c為對接機(jī)構(gòu)導(dǎo)向銷/套兩邊最小間隙；d為導(dǎo)向銷/套在對接機(jī)構(gòu)上徑向分布誤差。由導(dǎo)向銷/套兩邊間隙導(dǎo)致的橫向誤差為c/cos 30°，由導(dǎo)向銷/套在對接機(jī)構(gòu)上徑向分布誤差導(dǎo)致的橫向誤差為2dsin 30°，如圖12和圖13所示。

圖12 導(dǎo)向銷/套配合間隙 Fig.12 Fitting clearance between the guide pin and the guide cage

圖13 導(dǎo)向銷/套徑向分布誤差 Fig.13 Radial distribution errors of the guide pin and the guide cage

為了保證導(dǎo)向銷、導(dǎo)向套和導(dǎo)向銷套順利插合，且插合力和分離力的大小適當(dāng)，通常c的取值較大，對d的要求也相對寬松，導(dǎo)致ΔOd較大，從而對Ofa和Ofp的位移誤差影響較大。

2）對接機(jī)構(gòu)軸向誤差及其影響

將主、被動(dòng)對接機(jī)構(gòu)鎖緊后兩對接機(jī)構(gòu)坐標(biāo)系yda軸和ydp軸的角度誤差定義為對接機(jī)構(gòu)軸向誤差，設(shè)單個(gè)導(dǎo)向銷（導(dǎo)向套、導(dǎo)向銷套）軸向最大分布誤差為Δδ，則對接機(jī)構(gòu)軸向誤差最大值為2Δδ，如圖14所示。

對接機(jī)構(gòu)半徑較大，因此導(dǎo)向銷、導(dǎo)向套和導(dǎo)向銷套軸向分布誤差Δδ對Ofa和Ofp的位移誤差影響較大。

圖14 主、被動(dòng)對接機(jī)構(gòu)鎖緊后軸向誤差 Fig.14 Axial error of the docking mechanism

3）對接機(jī)構(gòu)角度誤差及其影響

圖15中，將主、被動(dòng)對接機(jī)構(gòu)鎖緊后兩對接機(jī)構(gòu)坐標(biāo)系xda軸和xdp軸的角度誤差定義為對接機(jī)構(gòu)角度誤差，設(shè)其最大值為Δαd，則有

式中：e為主、被動(dòng)對接機(jī)構(gòu)鎖緊后對接面的最大間隙；f為主、被動(dòng)對接機(jī)構(gòu)對接框平面度；L為對接框直徑。

圖15 主、被動(dòng)對接機(jī)構(gòu)角度誤差 Fig.15 Angular error of the docking mechanism

L相對e、f較大，因此Δαd值相對較小，對xfa軸和xfp軸的角度誤差影響較小。

4 最大誤差傳遞分析

根據(jù)上述誤差源分析可知，地面各安裝環(huán)節(jié)的誤差可在同一方向累加，也可在相反方向上抵消，因此，在分析過程中需按照誤差同向放大進(jìn)行分析，來確定液路浮動(dòng)斷接器的浮動(dòng)能力指標(biāo)；在實(shí)際安裝過程中，則應(yīng)該按照將誤差反向抵消的原則進(jìn)行控制，以確保安裝誤差小于液路浮動(dòng)斷接器的浮動(dòng)能力。下面按照誤差同向放大原則進(jìn)行位移誤差和角度誤差分析。

4.1 Ofa 和Ofp 的最大位移誤差分析

在主/被動(dòng)對接機(jī)構(gòu)鎖緊后對接機(jī)構(gòu)橫向誤差、對接機(jī)構(gòu)坐標(biāo)系下支架z軸誤差、支架坐標(biāo)系下液路浮動(dòng)斷接器z軸誤差均為同向的極限情況下，Ofa和Ofp的位移誤差達(dá)到最大，如圖16所示。

圖16 液路浮動(dòng)斷接器橫向極限誤差 Fig.16 The extreme lateral error of the fluid floating coupling

1）A、C分別代表液路浮動(dòng)斷接器主、被動(dòng)端理論位置點(diǎn)，若A點(diǎn)偏離至C點(diǎn)，則表征為ΔOd，且有ⅠJ=DE=AC=OP=ΔOd；

2）若C點(diǎn)偏離至F點(diǎn)，∠CPF=2Δδ，則有JL=EH=CF≈LΔδ（注：Δδ為弧度）；

3）若F點(diǎn)偏離至Z點(diǎn)，則表征為ΔOdL和ΔOdU影響，LT=HG=KF≈ΔOdL，VP=KZ≈ΔOdU；

4）同樣地，被動(dòng)端UⅠ=BD≈ΔOdL，SV=AD≈ΔOdU；

5）若Z點(diǎn)偏離至M點(diǎn)，則表征為ΔOhL和ΔOhU影響，RT=ZP≈ΔOhL，PM=ΔOhU； 6）同樣地，被動(dòng)端UN≈ΔOhL，RS=UB=ΔOhU； 7）則有MN=[(ΔOd+LΔδ+2ΔOhL+2ΔOdL)2+4(ΔOhU+ΔOdU)2]1/2。

綜上，在二維平面下，Ofa和Ofp的位移誤差最大為[(ΔOd+LΔδ+2ΔOhL+2ΔOdL)2+4(ΔOhU+ΔOdU)2]1/2。

4.2 xfa 軸和xfp 軸的最大角度誤差分析

在極限情況下，當(dāng)Δαd、Δαdh、Δαhf均為向同一方向產(chǎn)生誤差時(shí)，xfa軸和xfp軸的角度誤差最大，為2Δαdh+2Δαhf+Δαd，即2Δαdh+2Δαhf+2arcsin [e/(2L)]+ 2arctan(f/L)。液路浮動(dòng)斷接器角度浮動(dòng)能力應(yīng)≥2Δαdh+ 2Δαhf+2arcsin[e/(2L)]+2arctan(f/L)。

4.3 立體模型分析

對接機(jī)構(gòu)是個(gè)空間機(jī)構(gòu)，而上述分析僅采用二維分析法，因此液路浮動(dòng)斷接器安裝誤差還需從空間立體角度考慮。對接面存在間隙，導(dǎo)致液路浮動(dòng)斷接器主動(dòng)端插入管伸出后延伸一段距離才可到達(dá)被動(dòng)端柱塞口。結(jié)合液路浮動(dòng)斷接器主、被動(dòng)端存在的角度誤差，要求液路浮動(dòng)斷接器增大一定的橫向浮動(dòng)能力來克服此誤差，具體為圖17中h所示。因L?g，所以h≈L(1-cosΔαd)。

綜上，液路浮動(dòng)斷接器橫向浮動(dòng)能力應(yīng)≥[(ΔOd+LΔδ+2ΔOhL+2ΔOdL)2+4(ΔOhU+ΔOdU)2]1/2+L(1- cosΔαd)。

圖17 立體模型分析下的液路浮動(dòng)斷接器橫向誤差 Fig.17 Lateral error of the fluid floating coupling by 3D model analysis

5 安裝精度控制措施

在實(shí)際安裝過程中，可按上述分析過程在各個(gè)安裝環(huán)節(jié)進(jìn)行精度測量和安裝精度控制。但若對各個(gè)環(huán)節(jié)均進(jìn)行精測和控制，所帶來的測量基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換誤差和測量誤差產(chǎn)生積累，將影響最終誤差判斷的準(zhǔn)確性和控制精度[7-15]。

在對接機(jī)構(gòu)坐標(biāo)系下直接控制液路浮動(dòng)斷接器的安裝精度，可以將精測和控制環(huán)節(jié)由5 個(gè)減至3 個(gè)，從而簡化安裝精度控制設(shè)計(jì)，使復(fù)雜系統(tǒng)的誤差傳遞鏈路達(dá)到最小，如圖18所示。

圖18 各環(huán)節(jié)均控制與優(yōu)化控制方法的鏈路對比 Fig.18 Optimized links for the installation control of fluid floating coupling

優(yōu)化控制方法后考慮的3 個(gè)安裝環(huán)節(jié)為：

1）液路浮動(dòng)斷接器主動(dòng)端與主動(dòng)對接機(jī)構(gòu)的安裝環(huán)節(jié)；

2）液路浮動(dòng)斷接器被動(dòng)端與被動(dòng)對接機(jī)構(gòu)的安裝環(huán)節(jié)；

3）主動(dòng)對接機(jī)構(gòu)與被動(dòng)對接機(jī)構(gòu)的在軌對接環(huán)節(jié)。

5.1 優(yōu)化控制方法

如圖19所示，在對接機(jī)構(gòu)坐標(biāo)系的Odaydazda平面內(nèi)，設(shè)液路浮動(dòng)斷接器坐標(biāo)系的Ofa理論位置為圖中的紅點(diǎn)。實(shí)際安裝過程中，在對接機(jī)構(gòu)坐標(biāo)系下直接測量液路浮動(dòng)斷接器坐標(biāo)系的Ofa坐標(biāo)，并通過調(diào)整液路浮動(dòng)斷接器支架與對接機(jī)構(gòu)的 安裝環(huán)節(jié)或者調(diào)整液路浮動(dòng)斷接器與支架的安裝環(huán)節(jié)，控制Ofa與理論位置間的誤差沿yda軸向保持在ΔU以內(nèi)，沿zda軸向保持在ΔL以內(nèi)，則必然有：ΔU≤ΔOhU+ΔOdU且ΔL≤ΔOhL+ΔOdL。

圖19 斷接器在對接機(jī)構(gòu)坐標(biāo)系下的安裝精度控制Fig.19 Installation error of fluid floating coupling in docking mechanism coordinates

在對接機(jī)構(gòu)坐標(biāo)系下直接測量液路浮動(dòng)斷接器坐標(biāo)系xfa軸與xda軸的夾角，并通過調(diào)整液路浮動(dòng)斷接器與支架的安裝環(huán)節(jié)，控制該夾角保持在Δαdf以內(nèi)，且Δαdf≤Δαdh+Δαhf。

5.2 橫向浮動(dòng)能力分析

在主、被動(dòng)對接機(jī)構(gòu)鎖緊后橫向誤差與在對接機(jī)構(gòu)坐標(biāo)系下液路浮動(dòng)斷接器z軸誤差重合的極限情況下討論液路浮動(dòng)斷接器的橫向浮動(dòng)能力，如 圖20所示。

圖20 液路浮動(dòng)斷接器橫向誤差 Fig.20 Lateral error of the fluid floating coupling

1）A、C分別代表液路浮動(dòng)斷接器主、被動(dòng)端的理論位置點(diǎn)，若A點(diǎn)偏離至C點(diǎn)，則表征為ΔOd，且有DE=AC=OP=ΔOd；

2）若C點(diǎn)偏離至F點(diǎn)，∠CPF=2Δδ，則有EH=CF≈LΔδ（注：Δδ為弧度）；

3）若F點(diǎn)偏離至Z點(diǎn)，則表征為ΔL和ΔU影響，HG=KF≈ΔL，KZ≈ΔU；

4）同樣地，被動(dòng)端BD≈ΔL，AD≈ΔU；

5）則有BZ=[(ΔOd+LΔδ+2ΔL)2+4ΔU2]1/2。

同時(shí)考慮對接機(jī)構(gòu)立體模型，在上述控制方法控制下，Ofa和Ofp的最大位移誤差為[(ΔOd+LΔδ+ 2ΔL)2+ 4ΔU2]1/2+L(1-cosΔαd)。

5.3 角度浮動(dòng)能力分析

在極限情況下，Δαdf和Δαd均為向同一方向產(chǎn)生誤差時(shí)，xfa軸和xfp軸的角度誤差最大，為2Δαdf+Δαd，即2Δαdf+2arcsin[e/(2L)]+2arctan(f/L)。

6 試驗(yàn)驗(yàn)證

按上述分析結(jié)果確定某加注和被加注載人航天器液路浮動(dòng)斷接器的橫向浮動(dòng)能力和角度浮動(dòng)能力，并按照精度優(yōu)化控制措施實(shí)際采用液路浮動(dòng)斷接器和對接機(jī)構(gòu)產(chǎn)品進(jìn)行了安裝驗(yàn)證。精測結(jié)果表明，液路浮動(dòng)斷接器主、被動(dòng)端的相對橫向和角度誤差均小于其浮動(dòng)能力。

進(jìn)一步在液路浮動(dòng)斷接器系統(tǒng)級(jí)插合/分離試驗(yàn)中進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，在對接機(jī)構(gòu)多次鎖緊且鎖緊誤差隨機(jī)的情況下，液路浮動(dòng)斷接器均可正常完成插合、分離操作，其性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，證明本文提出的方法有效。

7 結(jié)束語

文章建立了液路浮動(dòng)斷接器安裝精度分析模型，對每個(gè)安裝環(huán)節(jié)的誤差源以及誤差傳遞鏈路進(jìn)行分析，按照各環(huán)節(jié)極限誤差累積的方法確定液路浮動(dòng)斷接器浮動(dòng)能力要求，并且提出了在對接機(jī)構(gòu)坐標(biāo)系下直接控制液路浮動(dòng)斷接器安裝精度的控制措施，可使復(fù)雜系統(tǒng)的誤差傳遞鏈路達(dá)到最小，且確保液路浮動(dòng)斷接器實(shí)際安裝精度小于或等于其浮動(dòng)能力，從而保障其在軌順利插合、分離。

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