一種新型空間抓捕機構(gòu)抓捕弱撞擊分析

武國梁，解志堅，李永振，高碧祥

（1.中北大學機電工程學院，太原 030051；2.北京航空航天大學，北京 100191；3.四川航天電子設(shè)備研究所，成都 610100）

0 引言

在軌的抓捕技術(shù)是指衛(wèi)星本體航天器對目標衛(wèi)星航天器的抓捕技術(shù)。在軌抓捕的關(guān)健是對目標衛(wèi)星實現(xiàn)剛性連接，由于目標衛(wèi)星既可能是合作目標衛(wèi)星，也可能是非合作目標衛(wèi)星，還可能是失效衛(wèi)星。所以，如何抓捕目標衛(wèi)星是現(xiàn)今世界各國在航天領(lǐng)域的研究熱點，各國均在積極研制用于在軌衛(wèi)星抓捕的無人航天器[1-2]。本文介紹的抓捕機構(gòu)可滿足對目標衛(wèi)星的抓捕和釋放，該機構(gòu)不僅能滿足衛(wèi)星的特殊要求，而且，具有良好的機械性能（結(jié)構(gòu)成熟，運動平穩(wěn)，對目標衛(wèi)星撞擊力小，抓捕牢靠，可抓捕可釋放）本文主要針對目標衛(wèi)星靜止時服務(wù)衛(wèi)星對其抓捕的抓捕機構(gòu)的設(shè)計的研究分析，同時對該抓捕機構(gòu)的導向機構(gòu)中有無彈簧阻尼對目標衛(wèi)星發(fā)動機噴管的撞擊力進行了分析[3-6]。

1 服務(wù)衛(wèi)星抓捕機構(gòu)的

1.1 工作原理

利用安裝在服務(wù)衛(wèi)星上的一個可伸縮機構(gòu)帶動抓捕鎖緊機構(gòu)，實現(xiàn)對目標衛(wèi)星的抓捕。當服務(wù)衛(wèi)星的運動滿足抓捕的條件時，伸縮機構(gòu)以一定的速度開始帶動抓捕機構(gòu)緩慢伸出，抓捕機構(gòu)接觸目標衛(wèi)星發(fā)動機噴管時，為防止因撞擊力過大使得抓捕的目標衛(wèi)星逃離，在抓捕機構(gòu)前端設(shè)計有導向阻尼機構(gòu)，從而吸收部分撞擊力產(chǎn)生的能量、減小抓捕時的撞擊力，（本論文著重研究阻尼機構(gòu)對抓捕目標衛(wèi)星的影響。）服務(wù)衛(wèi)星和目標衛(wèi)星的整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，加工原理樣機如圖2所示，抓捕機構(gòu)如圖3所示，服務(wù)衛(wèi)星的抓捕工作流程如圖4所示。

圖1 服務(wù)衛(wèi)星和目標衛(wèi)星整體結(jié)構(gòu)

圖2 抓捕機構(gòu)的原理樣機

1.2 導向阻尼結(jié)構(gòu)的設(shè)計

當抓捕機構(gòu)在伸縮機構(gòu)的帶動下，緩慢進入目標衛(wèi)星噴管內(nèi)部時，抓捕機構(gòu)會與目標衛(wèi)星噴管發(fā)生撞擊，為防止撞擊對抓捕機構(gòu)中的其他器件的損壞，減小撞擊時產(chǎn)生的撞擊力，設(shè)計了帶阻尼的導向機構(gòu)[7-9]；并且，為使抓捕機構(gòu)順利進入目標衛(wèi)星發(fā)動機噴管內(nèi)，又需要設(shè)計導向機構(gòu)中的導向瓣外表與目標衛(wèi)星的噴管內(nèi)壁表面相嚙合，使得抓捕機構(gòu)順利進入目標衛(wèi)星星噴管內(nèi)。為此設(shè)計了可以導向又能減小撞擊力的導向阻尼機構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖5所示[3]。

圖3 服務(wù)衛(wèi)星抓捕機構(gòu)

圖4 服務(wù)衛(wèi)星工作流程

圖5 導向阻尼機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

圖6 導向瓣受力圖

導向阻尼機構(gòu)主要由導向瓣、阻尼桿和支架座等組成。由于目標衛(wèi)星噴管的形狀近似漏斗形，因而該機構(gòu)整體設(shè)計也呈漏斗，其由三瓣機構(gòu)組成，每一瓣都有兩組阻尼桿支撐結(jié)構(gòu)，使每個導向瓣均有4個自由度。當與目標衛(wèi)星的噴管接觸時，會產(chǎn)生沿導向阻尼機構(gòu)的法向碰撞力FN，該力可以分解成沿抓捕機構(gòu)軸向力Fz和沿徑向的力Fr（如圖6所示）。并且，兩個方向的分力均使導向瓣帶動阻尼桿中的彈簧作運動，進而將撞擊力吸收，轉(zhuǎn)化成阻尼機構(gòu)的內(nèi)能，實現(xiàn)減小撞擊力的目的。

2 阻尼機構(gòu)的建模分析

導向機構(gòu)撞擊目標衛(wèi)星的發(fā)動機噴管可以等效成一個彈簧阻尼，繼而，可以在ADAMS里設(shè)置加載彈簧的參數(shù)彈簧阻尼參數(shù)[10-14]。等效阻尼法將碰撞過程中碰撞現(xiàn)象處理為連續(xù)動力學，將導向機構(gòu)撞擊目標衛(wèi)星的發(fā)動機噴管的接觸力等效成一個彈簧阻尼模型如圖7所示。假設(shè)兩個物體的接觸點的曲率半徑分別為R1和R2，接觸面的法線方向設(shè)為n?？紤]到材料的阻尼，采用廣義的Hertz公式接觸力具有如下形式[4]：

式（1）彈性力學中的Hertz剛度k，取決于材料特性和曲率半徑R1，R2，具體如下式：

式中，R1為物體1的接觸面曲率半徑；R2為物體2的接觸面曲率半徑；σi為接觸面間的接觸應(yīng)力；Ei為彈性模量；υi為泊松比；

圖7 彈簧阻尼模型

3 ADAMS動力學仿真

動力學仿真的初始條件：

1）服務(wù)衛(wèi)星質(zhì)量2 200 kg；

2）目標衛(wèi)星質(zhì)量1 600 kg；

3）服務(wù)衛(wèi)星與目標衛(wèi)星的相對位置容差：X方向70 mm，Y方向70 mm；

4）角度容差：X 方向 1°，Y 方向 1°，Z 方向 1°；

5）目標衛(wèi)星與服務(wù)衛(wèi)星相對靜止；

6）目標衛(wèi)星與服務(wù)衛(wèi)星無重力環(huán)境下。

3.1 模型簡化與假設(shè)

影響空間衛(wèi)星抓捕的的因素很多，為了簡化對接抓捕的過程，需要作如下假設(shè)：

1）ADAMS動力學模型按照實際的運動添加約束和接觸力，其模型不考慮各種誤差；

2）所有機構(gòu)均按剛體處理。

3.2 建立動力學模型

利用UG建模軟件對不影響正常運動情況下對服務(wù)衛(wèi)星的抓捕機構(gòu)進行簡化并導入ADAMS中，根據(jù)各機構(gòu)在實際工作環(huán)境中，添加抓捕機構(gòu)的材料屬性和約束；并設(shè)置變量參數(shù)，最后完成動力學仿真的建立，如圖8所示，導向瓣的模型參數(shù)如表1所示。

圖8 動力學仿真模型

3.3 模型參數(shù)設(shè)置

表1 設(shè)置仿真模型的基本參數(shù)

3.4 仿真分析

工作在空間的衛(wèi)星即使受到很小的力，也會產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)動位移。因此，服務(wù)衛(wèi)星抓捕機構(gòu)對目標衛(wèi)星發(fā)動機噴管撞擊力為研究的關(guān)鍵。本文在不同的速度下，導向機構(gòu)有無阻尼情況分別測得接觸力如表2所示。

表2 導向機構(gòu)在不同速度下有無阻尼的接觸力

由表2可知該抓捕機構(gòu)在25 mm/s和在40 mm/s運動速度時，導向瓣有阻尼器比無阻尼器導向機構(gòu)的撞擊力可以減少15%左右。

導向瓣在有阻尼器和無阻尼器的情況下，導向瓣撞擊目標衛(wèi)星發(fā)動機噴管的接觸力如下頁圖9和圖10所示。

通過上述兩種速度下有無阻尼器的情況對比分析可以看出，安裝上阻尼器能夠有效降低導向瓣與噴管間的接觸力，接觸力大約減小15%。

通過仿真分析可知有阻尼比無阻尼抓捕機構(gòu)撞擊目標衛(wèi)星后，目標衛(wèi)星在空間的上下左右各個方向的位移量有所減?。ù蠹s15%），尤其在上下方位的位移量降低比較明顯，如圖11和圖12所示。

圖9 V伸縮=25 mm/s時導向瓣與噴管的接觸力

圖10 V伸縮=40 mm/s時導向瓣與噴管的接觸力

圖11 目標衛(wèi)星在有阻尼與無阻尼兩種情況上下方位的位移

圖12 目標衛(wèi)星在有阻尼與無阻尼兩種情況左右方位的位移

4 測試結(jié)果

1）試驗條件

①試驗環(huán)境為有重力和空氣的實際環(huán)境；

②服務(wù)衛(wèi)星沿著軌道直線運動，目標衛(wèi)星懸掛在架座上；

③抓捕器安裝在服務(wù)衛(wèi)星前端。

2）試驗過程

由于空間環(huán)境都是無重力的，但是，此試驗只是模擬階段，因此，試驗的環(huán)境是在有重力的情況下，對抓捕頭中的導向機構(gòu)在有阻尼的機構(gòu)對目標衛(wèi)星抓捕進行試驗，試驗結(jié)果與仿真結(jié)果較為相符，試驗過程如圖13所示和試驗結(jié)果如表3所示。

圖13 樣機抓捕試驗圖

表3 導向機構(gòu)在不同速度下有理論與實測值阻尼的接觸力

5 結(jié)論

1）為了完成特殊抓捕結(jié)構(gòu)的CEO衛(wèi)星的在軌服務(wù)要求，在參閱大量國內(nèi)外的空間抓捕機構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種新型衛(wèi)星抓捕機構(gòu)；

2）由表2可知撞擊力減小15%左右；

3）由圖11和圖12可知有阻尼的抓捕機構(gòu)比無阻尼的抓捕機構(gòu)撞擊目標衛(wèi)星后，目標衛(wèi)星偏轉(zhuǎn)位移減小約15%；

4）導向機構(gòu)在25 mm/s和40 mm/s速度下有阻尼的接觸力理論值與實測值的誤差為1.5%和2.2%誤差較小滿足設(shè)計要求。

5）該服務(wù)衛(wèi)星的抓捕機構(gòu)中導向阻尼機構(gòu)為在軌服務(wù)提供新的結(jié)構(gòu)設(shè)計。