復(fù)合式對接試驗(yàn)臺構(gòu)型及動力學(xué)分析

張?jiān)》堕L珍

摘要：小型衛(wèi)星空間交會對接是影響航天事業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。為了保證小型衛(wèi)星空間對接的成功率，通過仿真對接試驗(yàn)臺進(jìn)行地面對接模擬試驗(yàn)研究是十分必要的。針對空間對接試驗(yàn)臺對接模式單一、通用性差的問題，在立式對接試驗(yàn)臺的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了復(fù)合式對接試驗(yàn)臺，該試驗(yàn)臺可實(shí)現(xiàn)垂直和水平兩種對接模式，并詳細(xì)介紹了關(guān)鍵部件的組成結(jié)構(gòu)和工作原理。對被動對接平臺球關(guān)節(jié)進(jìn)行了動力學(xué)分析，依據(jù)分析結(jié)果對為球關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動提供動力的平衡桿組件進(jìn)行了優(yōu)化。同時(shí)，利用仿真分析軟件對主動對接平臺的底盤支撐組件進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明：底盤支撐組件的最大變形和最大應(yīng)力均在允許范圍內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：復(fù)合式試驗(yàn)臺；對接模式；球關(guān)節(jié)；動力學(xué)分析

DOI：10.15938/j.jhust.2018.01.002

中圖分類號： TH122

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號： 1007-2683（2018）01-0007-06

Abstract：Small satellite rendezvous and docking is a key technology affecting the development of the space industry. In order to ensure the success rate of small satellites in space docking， it is necessary to carry simulation test of space docking through the space docking simulation test bench. In response to the problems of space docking test platform docking form single and poor universality， on the basis of vertical docking test platform composite docking test rig is designed. The test platform can realize two kinds of docking modes of vertical and horizontal， and introduces the structure and working principle of the key components in detail. The dynamic analysis of ball joint of the passive docking table is carried out， and the balance bar components which provide power for the rotary motion of the ball joint is optimized. At the same time， the simulation analysis is carried out by using the simulation analysis software to carry out the simulation analysis of the supporting components of the active docking platform. The results show that the maximum deformation and maximum stress of the chassis support components are in the range of requirements and meet the design requirements.

Keywords：composite test platform；docking pattern；spherical joint；dynamics analysis

0引言

小型衛(wèi)星空間交會對接技術(shù)在現(xiàn)代航天領(lǐng)域占據(jù)著舉足輕重的位置，航天器空間對接成功與否關(guān)系著大型空間站的建立、航天器在軌服務(wù)壽命的延長及營救遇險(xiǎn)航天員等空間活動的實(shí)施[1-3]?？臻g對接過程是極其復(fù)雜的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)過程，并且伴隨著碰撞和振動，只依靠數(shù)學(xué)模型對該過程進(jìn)行分析研究是不夠的，需要通過空間對接試驗(yàn)臺對影響空間對接的各因素進(jìn)行綜合分析研究[4-7]。目前國內(nèi)外較成熟的對接試驗(yàn)臺有五自由度繩索式綜合仿真試驗(yàn)臺、六自由度混合式綜合仿真試驗(yàn)臺、五自由度氣浮仿真試驗(yàn)臺、籃球架式可移動多自由度交會對接仿真器等[8-11]。這些對接仿真試驗(yàn)臺只能進(jìn)行垂直或水平單一模式的對接試驗(yàn)，得到的技術(shù)數(shù)據(jù)不夠全面，存在一定的盲區(qū)。綜上所述，設(shè)計(jì)一臺能同時(shí)實(shí)現(xiàn)多對接模式的一體機(jī)式復(fù)合對接試驗(yàn)臺，對航天事業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展具有重大意義。

1復(fù)合式對接試驗(yàn)臺總體構(gòu)型

本文在立式對接測試平臺（如圖1所示）的基礎(chǔ)上遵循結(jié)構(gòu)簡單緊湊、質(zhì)量輕、對接模式轉(zhuǎn)換靈活的設(shè)計(jì)原則， 進(jìn)行了復(fù)合式對接試驗(yàn)臺的研究設(shè)計(jì)。

復(fù)合式對接試驗(yàn)臺是指對接模式及功能非單一化的，可實(shí)現(xiàn)多種對接模式的一體機(jī)式對接試驗(yàn)臺[12-13]。本文設(shè)計(jì)的復(fù)合式對接試驗(yàn)臺主要由架體、運(yùn)動模擬器、重力平衡裝置、控制系統(tǒng)和檢測及驗(yàn)證系統(tǒng)組成。其中運(yùn)動模擬器由主、被動對接平臺兩部分構(gòu)成，分別用于安裝主、被動對接機(jī)構(gòu)且分別設(shè)有轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)。架體由空心方鋼焊接而成，底部橫梁設(shè)置了倒T型滑道，主動對接平臺能沿此滑道進(jìn)行移動。重力平衡裝置采用的是吊裝式結(jié)構(gòu)，通過兩套配重裝置來平衡被動平臺及對接機(jī)構(gòu)被動部分的重量，以達(dá)到近似模擬太空失重環(huán)境的目的。復(fù)合對接試驗(yàn)臺的總體結(jié)構(gòu)及兩種對接模式狀態(tài)如圖2所示。

當(dāng)試驗(yàn)臺從垂直對接模式向水平對接模式轉(zhuǎn)換時(shí)，首先通過主、被動對接平臺的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)分別將用于安裝主、被動對接機(jī)構(gòu)的底盤支撐組件和法蘭盤相對旋轉(zhuǎn)90°，底盤支撐組件和法蘭盤的旋轉(zhuǎn)角度通過角度傳感器進(jìn)行測量，然后調(diào)整主、被動對接平臺垂直和水平方向間的距離以達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求的距離，反向重復(fù)上訴動作便可使該試驗(yàn)臺實(shí)現(xiàn)從水平對接模式到垂直對接模式的轉(zhuǎn)換。

與立式對接測試平臺相比復(fù)合式對接試驗(yàn)臺不僅具有六個(gè)自由度，且各自由度可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立運(yùn)動且相互間不產(chǎn)生耦合運(yùn)動，而且可以實(shí)現(xiàn)垂直和水平兩種對接模式，且在兩對接模式間可實(shí)現(xiàn)靈活轉(zhuǎn)換，通用性好，適應(yīng)不同對接機(jī)構(gòu)及對接試驗(yàn)的要求。這在空間對接試驗(yàn)臺的研究領(lǐng)域是一個(gè)新的突破，打破了對接試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)形式單一的局面，開啟了垂直和水平兩種方式相結(jié)合的一體機(jī)式對接試驗(yàn)新領(lǐng)域，為高精尖對接機(jī)構(gòu)及小型衛(wèi)星空間交會對接技術(shù)的研究提供更全面可靠的技術(shù)及數(shù)據(jù)支持。

2復(fù)合式對接試驗(yàn)臺關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1主、被動對接平臺轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

運(yùn)動模擬器是復(fù)合式對接試驗(yàn)臺的重要組成部分，其功能是模擬小衛(wèi)星空間對接運(yùn)動，其中主對接平臺模擬追蹤衛(wèi)星，被動對接平臺模擬目標(biāo)衛(wèi)星[14]。從結(jié)構(gòu)緊湊性和對接模式轉(zhuǎn)換靈活性的角度考慮，對主被動對接平臺轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2.1.1主動對接平臺轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)

主動對接平臺主體由十字型布置的雙層滑移導(dǎo)軌、轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)及底盤支撐組件構(gòu)成，可實(shí)現(xiàn)X、Y兩個(gè)移動自由度[15]。轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的作用是在不改變該平臺運(yùn)動特性的前提下使其對接模式實(shí)現(xiàn)由垂直到水平的轉(zhuǎn)換，該轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)由電機(jī)、蝸輪蝸桿、齒輪、限位桿等組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。電機(jī)通過蝸桿帶動渦輪旋轉(zhuǎn)，通過齒輪A將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動傳遞給底盤支撐組件支架使其旋轉(zhuǎn)一定角度，底盤支撐組件與支架相連接，從而實(shí)現(xiàn)垂直到水平對接模式的轉(zhuǎn)換。該轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)傳動平穩(wěn)，工作可靠，選用步進(jìn)電機(jī)作為動力源。該電機(jī)精度高、響應(yīng)快、可實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。在模式轉(zhuǎn)換過程中利用角度傳感器來控制底盤組件的旋轉(zhuǎn)角度。

2.1.2被動對接平臺轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)

被動對接平臺由移動端、導(dǎo)向桿、球關(guān)節(jié)、吊架、轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)和法蘭盤組成，實(shí)現(xiàn)Z向移動及繞X、Y、Z三軸的轉(zhuǎn)動（既滾轉(zhuǎn)、俯仰、偏航運(yùn)動），為了保證四個(gè)自由度的運(yùn)動不受影響，轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)不僅要工作可靠，且要求結(jié)構(gòu)簡單質(zhì)量輕，如圖4所示。該轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)由電機(jī)、蝸輪蝸桿、十字形軸構(gòu)成。蝸輪與法蘭分別位于十字形軸的兩相鄰軸端上，電機(jī)通過蝸桿帶動蝸輪旋轉(zhuǎn)，并將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動傳遞給十字形軸，法蘭盤隨著十字形軸旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)對接模式的變換。該轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的電機(jī)依然選用步進(jìn)電機(jī)。

2.2重力平衡裝置

眾所周知空間對接環(huán)境為失重狀態(tài)，因此對接試驗(yàn)臺應(yīng)具備模擬太空失重環(huán)境的功能[16-17]。復(fù)合式對接試驗(yàn)臺采用吊裝式重力平衡裝置模擬失重狀態(tài)。垂直對接模式下由于被動對接平臺結(jié)構(gòu)布局對稱，其整體重心位于垂直中心線上，通過繩索另一端的配重塊來平衡其重量以達(dá)到模擬太空失重狀態(tài)，如圖5（a）圖所示。但在水平對接模式下由于結(jié)構(gòu)布局的變化導(dǎo)致被動對接平臺整體重心偏移，本文利用桿稱的平衡原理通過重力平衡桿與配重滑塊來解決這一問題，如圖5（b）圖所示。平衡桿通過法蘭盤與十字形軸連接，配重滑塊可在其上移動，從而起到平衡的作用。

3被動對接平臺動力學(xué)分析

被動對接平臺模擬的是被動對接機(jī)構(gòu)在對接過程中的運(yùn)動及姿態(tài)變化，其中繞X、Y、Z三軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動是通過平衡組件與球關(guān)節(jié)相配合實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)平衡盤在平衡桿上的位置發(fā)生變化時(shí)平衡組件重心發(fā)生偏移產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)力矩，在該力矩的作用下，球關(guān)節(jié)與軸瓦間產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動從而使末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)生偏轉(zhuǎn)運(yùn)動，如圖6所示。由圖可知，與立式對接測試平臺相比復(fù)合式對接試驗(yàn)臺的被動對接平臺由于增設(shè)了轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)導(dǎo)致球關(guān)節(jié)受力變大，球關(guān)節(jié)繞著某一軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時(shí)球關(guān)節(jié)與軸瓦間的摩擦力增大。當(dāng)摩擦力大于偏轉(zhuǎn)力矩時(shí)致使球關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)達(dá)到預(yù)設(shè)的旋轉(zhuǎn)角度要求。本文設(shè)計(jì)的復(fù)合式對接試驗(yàn)臺要求三個(gè)轉(zhuǎn)動自由度的運(yùn)動范圍在-5°～5°之間。

以繞ζ軸旋轉(zhuǎn)為例，通過赫茲彈性變形理論對關(guān)節(jié)球旋轉(zhuǎn)過程中所受的摩擦力進(jìn)行分析[18-20]，如圖7所示。球關(guān)節(jié)在轉(zhuǎn)動過程中與軸瓦間產(chǎn)生的摩擦力矩與球關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動方向相反，兩者接觸面上的正應(yīng)力近似按余弦規(guī)律分布，用字母P表示，即p=p0cosα，p0為關(guān)節(jié)球任一點(diǎn)A處的正應(yīng)力值，α為該受力點(diǎn)的半徑與ζ的夾角。由公式Fζ=0得：

由分析計(jì)算結(jié)果可知，球關(guān)節(jié)處旋轉(zhuǎn)角度不能達(dá)到5°，不滿足設(shè)計(jì)要求。為了解決這一問題最簡單而有效的方法為對平衡桿的長度進(jìn)行優(yōu)化，由以上計(jì)算可知平衡組件能產(chǎn)生的最大偏轉(zhuǎn)力矩至少為73N·m才能滿足要求。通過反推計(jì)算得出平衡桿最小長度應(yīng)為0.52m，考慮到其他可能導(dǎo)致摩擦力增大的影響因素，取平衡桿長度為0.6m。

4主動對接平臺底盤支撐組件有限元分析

主動對接平臺底盤支撐組件的作用是安裝和支撐主動對接結(jié)構(gòu)，在垂直對接模式下對接機(jī)構(gòu)的重量作用于底盤上，然而當(dāng)復(fù)合式對接試驗(yàn)臺由垂直對接模式變換到水平對接模式時(shí)主動對接機(jī)構(gòu)的重量完全由支撐桿來承擔(dān)，同時(shí)在自身重量的作用下支撐桿產(chǎn)生彎曲變形。支撐桿變形過大將影響對接機(jī)構(gòu)的對接精度，本文參照三爪式對接機(jī)構(gòu)的參數(shù)利用ANSYS Workbench軟件中Static Structural模塊對其進(jìn)行變形和應(yīng)力分析。

將模型導(dǎo)入Static Structural中，設(shè)置材料屬性為45號鋼，進(jìn)入Modal模塊采用四面體網(wǎng)格對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成了25693個(gè)單元和65932個(gè)節(jié)點(diǎn)。三爪式對接機(jī)構(gòu)主動對接機(jī)構(gòu)重量為120N，每根支撐桿承受20N向下的力，施加載荷后通過solve求解得變形及應(yīng)力云圖，如圖8所示。由分析云圖得知最大變形量和最大應(yīng)力如表1所示。

由分析結(jié)果可知，支撐桿在水平對接模式下的最大變形量及最大應(yīng)力值都非常小，所以支撐桿件不會產(chǎn)生較大的彎曲變形，不會導(dǎo)致其對接中心線的偏離，不影響對接精度。

5結(jié)語

本文在立式對接測試平臺的基礎(chǔ)上進(jìn)行了復(fù)合對接試驗(yàn)臺的構(gòu)型設(shè)計(jì)，主要針對主、被動對接平臺的對接模式轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)、重力平衡裝置進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)。同時(shí)，對被動對接平臺球關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動進(jìn)行了動力學(xué)分析，依據(jù)分析結(jié)果對平衡桿進(jìn)行了優(yōu)化，將其長度重新設(shè)計(jì)為0.6m，從而使球關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動滿足設(shè)計(jì)角度要求。另外通過ANSYS Workbench分析軟件對主動對接平臺底盤支撐組件進(jìn)行了靜力學(xué)分析，驗(yàn)證其強(qiáng)度及剛度符合要求。復(fù)合式對接試驗(yàn)臺可根據(jù)試驗(yàn)要求在垂直和水平兩種對接模式間靈活地轉(zhuǎn)換，并且具備實(shí)現(xiàn)自鎖功能，工作可靠。本設(shè)計(jì)打破了地面對接模擬試驗(yàn)臺對接模式單一，通用性差的局面，將在空間對接研究領(lǐng)域開啟新篇章。

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（編輯：溫澤宇）