空間對接電磁鎖緊機構(gòu)研究

樓雨涵，解志堅，楊 臻，王昊東

(1.中北大學(xué) 機電工程學(xué)院， 太原 030051； 2.中國兵器工業(yè)試驗測試研究院， 陜西 華陰 714200)

隨著人類對空間探索需求的增加，航天器的功能越來越多，結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，空間對接技術(shù)是實現(xiàn)航天器在軌裝配、補給、維修、升級的先決條件。傳統(tǒng)空間對接技術(shù)多采用推力器配合機械式對接機構(gòu)。目前國內(nèi)外研究方案中，多采用機械臂配合電磁裝置完成在軌對接，然后通過持續(xù)電磁引力完成兩航天器的鎖緊連接。電磁對接相對于傳統(tǒng)空間對接具有低燃料消耗、無羽流污染、可小型化、連續(xù)可逆可無沖擊對接等優(yōu)勢[1-4]。

本文通過對電磁式對接系統(tǒng)的研究，驗證了電磁柔性對接的可行性，為以后對電磁對接的研究提供了一定參考價值。電磁柔性對接總體系統(tǒng)中包含機械結(jié)構(gòu)鎖，在完成電磁對接后，利用電磁力驅(qū)動鎖緊裝置完成主動衛(wèi)星與被動衛(wèi)星之間剛性鎖緊連接。鎖緊完成后系統(tǒng)可斷電，有利于減少能源消耗，減少電磁場對工作元件的干擾。

1 電磁鎖緊解鎖結(jié)構(gòu)

空間電磁對接系統(tǒng)主要由主動系統(tǒng)和被動系統(tǒng)兩部分組成，如圖1所示。主動系統(tǒng)包括：主動系統(tǒng)主電磁鐵、主動系統(tǒng)副電磁鐵、精對準齒、鎖銷槽、主動對接錐頭。被動系統(tǒng)包括：被動系統(tǒng)主電磁鐵、被動系統(tǒng)副電磁鐵、鎖緊/解鎖電磁鐵、精對準槽、鎖緊插板、鎖緊銷、鎖銷彈簧，滑軌，滑塊、被動對接錐口。

1主動對接錐頭；2精對準齒；3鎖銷槽；4主動系統(tǒng)主電磁鐵；5外殼；6后蓋；7磁路；8電磁線圈(a) 主動系統(tǒng)

1被動對接錐口；2鎖緊銷；3鎖銷彈簧；4鎖緊插板；5精對準槽；6外殼；7滑塊；8滑軌；9被動系統(tǒng)主電磁鐵；10主電磁鐵定位件；11鎖緊/解鎖電磁鐵定位板；12彈簧；13鎖緊/解鎖電磁鐵；14后蓋(b) 被動系統(tǒng)圖1 空間電磁對接系統(tǒng)示意圖

2 電磁鎖緊解鎖工作原理

主動衛(wèi)星與被動衛(wèi)星接觸后進入鎖緊位置后，需利用電磁鎖緊機構(gòu)進行兩衛(wèi)星之間的剛性鎖緊，以確保兩衛(wèi)星之間的連接可靠。電磁鎖緊機構(gòu)由鎖緊裝置、鎖緊/解鎖電磁鐵、主動系統(tǒng)和被動系統(tǒng)主電磁鐵共同工作實現(xiàn)。利用電磁鐵產(chǎn)生的電磁力進行對鎖緊裝置的驅(qū)動，減少了系統(tǒng)中的驅(qū)動種類，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度。

2.1 電磁鎖緊工作原理

如圖2所示，當鎖緊/解鎖電磁鐵與被動系統(tǒng)主電磁鐵之間產(chǎn)生電磁斥力，且主動系統(tǒng)主電磁鐵與被動系統(tǒng)主電磁鐵之間產(chǎn)生電磁引力時，被動系統(tǒng)主電磁鐵帶動滑塊和斜面鎖緊插板遠離鎖緊/解鎖電磁鐵。鎖緊插板插入鎖緊位置，鎖緊插板斜面將鎖銷推入鎖銷槽，此時完成鎖緊。鎖緊完成后，系統(tǒng)可關(guān)閉所有電源。被動系統(tǒng)主電磁鐵受力如圖3所示。

圖2 鎖緊動作工作流程示意圖

圖3 被動系統(tǒng)主電磁鐵受力示意圖

采用滑軌、滑塊用于減少被動系統(tǒng)主電磁鐵與外殼之間相對移動時的摩擦產(chǎn)生的阻力。為了減少鎖銷與鎖緊插板的斜面之間相對滑動所產(chǎn)生的阻力，鎖銷(如圖4)采用滑動軸承與鎖緊插板的斜面接觸。

圖4 鎖銷

2.2 電磁解鎖工作原理

為獲得最大解鎖力，使鎖緊/解鎖電磁鐵與被動系統(tǒng)主電磁鐵之間產(chǎn)生電磁引力、主動系統(tǒng)主電磁鐵與被動系統(tǒng)主電磁鐵之間產(chǎn)生電磁斥力。鎖緊/解鎖電磁鐵和主動系統(tǒng)主電磁鐵共同對被動系統(tǒng)主電磁鐵作用從而使得被動系統(tǒng)主電磁鐵獲得最大解鎖力帶動滑塊和斜面鎖緊插板，鎖緊插板離開鎖緊位置，鎖銷退出鎖銷槽，此時完成解鎖。為了避免主動系統(tǒng)主電磁鐵與被動系統(tǒng)主電磁鐵之間產(chǎn)生電磁斥力時，主動衛(wèi)星與被動衛(wèi)星之間過早產(chǎn)生分離力而影響鎖銷退出鎖銷槽，主動系統(tǒng)和被動系統(tǒng)的副電磁鐵之間應(yīng)產(chǎn)生足夠大的電磁引力，抵消主動系統(tǒng)主電磁鐵與被動系統(tǒng)主電磁鐵之間產(chǎn)生的電磁斥力，使得主動衛(wèi)星與被動衛(wèi)星之間合力為引力，從而不會釋放分離。各電磁鐵之間受力情況如圖5所示，其中FA

圖5 解鎖時各電磁鐵之間受力情況示意圖

解鎖時，鎖銷軸承在鎖銷彈簧的作用下與插板斜面時刻保持接觸，鎖緊插板退出鎖緊位置時，鎖銷退出鎖銷槽。

3 Maxwell 3D仿真

3.1 電磁鎖緊過程

為獲取足夠大的鎖緊驅(qū)動力，需采用鎖緊/解鎖電磁鐵和主動系統(tǒng)主電磁鐵共同對被動系統(tǒng)主電磁鐵作用的方式，即鎖緊/解鎖電磁鐵與被動系統(tǒng)主電磁鐵之間電磁斥力作用、主動系統(tǒng)主電磁鐵與被動系統(tǒng)主電磁鐵之間電磁引力作用。

根據(jù)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計，被動系統(tǒng)主電磁鐵移動行程為10 mm，鎖緊/解鎖電磁鐵與被動系統(tǒng)主電磁鐵之間最小間距1 mm，主動系統(tǒng)主電磁鐵與被動系統(tǒng)主電磁鐵之間最小間距為3 mm。使用Maxwell 3D建模和電流方向、磁場如圖6所示，其中被動系統(tǒng)主電磁鐵沿Z軸移動的坐標范圍L1=-10～0 mm(-10為解鎖位置，0為鎖緊位置)。電磁鐵參數(shù)設(shè)置如表1。鎖緊力FZ電磁力仿真曲線如圖7。

圖7 被動主電磁鐵鎖緊力仿真曲線

表1 鎖緊時電磁鐵參數(shù)

圖6 鎖緊時電磁鐵Maxwell 3D建模和電流方向、磁場

3.2 解鎖力

使用Maxwell 3D建模和電流方向如圖8所示，其中被動系統(tǒng)主電磁鐵沿Z軸移動的坐標范圍L1=-10～0 mm(-10為解鎖位置，0為鎖緊位置)。電磁鐵參數(shù)設(shè)置如表2。電磁力仿真曲線如圖9，F(xiàn)orce10_z為主動系統(tǒng)所受Z軸電磁引力大小，F(xiàn)z為被動系統(tǒng)主電磁鐵受解鎖力大小。由圖9(a)可知Force10_z值為20.5～21.13 N，系統(tǒng)的合力始終為引力。

圖8 解鎖時電磁鐵Maxwell 3D建模和電流方向

表2 解鎖時電磁鐵參數(shù)

圖9 電磁力仿真曲線

4 動力學(xué)仿真

4.1 建模過程

在動力學(xué)建模中，當模型零部件較多，系統(tǒng)較為復(fù)雜時，為了能夠更清晰的掌握運動規(guī)律，對模型進行合理的簡化和假設(shè)，有利于減少多余的約束和接觸力，減少計算量、節(jié)約計算時間，有利于動力學(xué)仿真[5-6]。故對模型進行以下簡化和假設(shè)：

1) 如無具體要求或特殊說明時，模型的零部件均看作剛體[7]；

2) 模型按照實際的運動規(guī)律添加約束，不考慮模型的尺寸公差和誤差；

3) 動力學(xué)仿真按照在空間環(huán)境下進行，不計重力加速度的影響，故重力加速度為零；

4) 相互接觸且不參與運動的零部件之間進行布爾加和操作，作為一個零件處理，并與衛(wèi)星之間添加固定副[8-9]。

使用三維建模軟件UG對空間電磁柔性對接系統(tǒng)和衛(wèi)星進行建模并導(dǎo)入ADAMS中。按照實際情況對零部件進行材料、約束、接觸力的添加，并根據(jù)電磁力仿真結(jié)果和計算結(jié)果對模型相關(guān)零部件施加驅(qū)動、載荷。模型定義主動衛(wèi)星與被動衛(wèi)星以Z軸為對接軸，相對距離LZ=500 mm；以主動衛(wèi)星為基準，將被動衛(wèi)星以Z軸(滾轉(zhuǎn)軸)為轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)3°，即兩衛(wèi)星之間滾轉(zhuǎn)角度差為3°；以被動衛(wèi)星為基準，將主動衛(wèi)星以俯仰軸為轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)0.15°，即兩衛(wèi)星之間俯仰角度差為0.15°，空間電磁柔性對接系統(tǒng)ADAMS模型如圖10所示。圖11為仿真模型驗證信息界面。

圖10 空間電磁柔性對接系統(tǒng)ADAMS模型示意圖

圖11 空間電磁柔性對接系統(tǒng)ADAMS模型驗證信息界面

4.2 仿真結(jié)果分析

鎖緊與解鎖過程動力學(xué)仿真針對主動衛(wèi)星與被動衛(wèi)星進入鎖緊位置后的鎖緊動作、解鎖動作進行仿真計算。主要還原了鎖緊/解鎖動作過程，分析了機械結(jié)構(gòu)的運動部件之間的受力情況。

各電磁鐵Z軸方向受力曲線如圖12所示。圖12中正方向為引力，負方向為斥力。圖12(b)和圖12(c)中受力大小參照圖7和圖9參數(shù)設(shè)置；0.055～0.065 s時，圖12(a)中一組副電磁鐵負向的斥力150 N，則兩組副電磁鐵累積提供斥力300 N。

圖12 各電磁鐵Z軸方向受力大小曲線

運行鎖緊與解鎖過程動力學(xué)仿真曲線如圖13所示。圖13(a)中實線為被動系統(tǒng)主電磁鐵、滑塊、鎖緊插板等移動部件的Z軸方向時間-坐標(位移)曲線；虛線為其中一個鎖緊銷Y軸方向時間-坐標(位移)曲線；圖13(b)曲線為鎖緊銷軸承與鎖緊插板之間Y軸方向接觸力大小曲線；圖13(c)曲線為鎖緊銷軸承與鎖緊銷軸承中心軸之間Y軸方向接觸力大小曲線。

圖13 鎖緊與解鎖過程動力學(xué)仿真曲線

結(jié)合圖12和圖13(a)可以看出，t=0～0.5 s時間段，被動系統(tǒng)主電磁鐵和鎖緊/解鎖電磁鐵之間為斥力，主動衛(wèi)星主電磁鐵與被動衛(wèi)星主電磁鐵之間為引力，此時被動系統(tǒng)主電磁鐵移動至鎖緊位置，鎖緊銷插入鎖緊槽；t=0.75～0.16 s 時間段，副電磁鐵之間相互引力維持衛(wèi)星間連接狀態(tài)，被動主電磁鐵和鎖緊/解鎖電磁鐵相互引力、主動衛(wèi)星主電磁鐵與被動衛(wèi)星主電磁鐵相互斥力，被動主電磁鐵在兩個力作用下反向移動10 mm逐漸返回解鎖位置，鎖緊銷移動3 mm退出鎖緊槽；

從圖13(b)可以看出，t=0.03 s起，鎖緊銷軸承與鎖緊插板開始接觸，并且以鎖緊動作和解鎖動作時接觸力最大，接觸力最大值為147.2 N；t=0.055～0.065 s時間段，主、被動衛(wèi)星之間受到300 N的軸向反作用力(分離力)時，鎖緊銷軸承與鎖緊插板接觸力最大為79.8 N；該數(shù)據(jù)將用于強度校核，檢驗鎖緊銷軸承與鎖緊插板之間是否在受過大載荷時發(fā)生塑性形變；

從圖13(c)可以看出，t=0.03 s起，鎖緊銷軸承與鎖緊銷軸承中心軸接觸力以鎖緊動作和解鎖動作時接觸力最大，最大值為243 N；t=0.055～0.065 s時間段，主、被動衛(wèi)星之間受到300 N的軸向反作用力(分離力)，鎖緊銷軸承與鎖緊銷軸承中心軸接觸力最大為182 N；鎖緊銷軸承中心軸達到剪切強度。圖中后期接觸力發(fā)生跳變，是因為軸承與中心軸相對滑動的過程中，還有徑向的碰撞，導(dǎo)致接觸力振動，其大小不變，方向反復(fù)變化。

5 結(jié)論

對系統(tǒng)電磁力充分合理利用，不需要額外的電機等驅(qū)動裝置驅(qū)動，利用電磁柔性對接技術(shù)中電磁鐵提供的電磁力驅(qū)動完成主動衛(wèi)星與被動衛(wèi)星之間剛性鎖緊連接和解鎖。利用Maxwell 3D對電磁鎖緊與解鎖釋放技術(shù)所用電磁力進行仿真分析，仿真結(jié)果將用于驗證電磁鎖緊與解鎖釋放機構(gòu)的可行性，電磁鎖緊與解鎖釋放機構(gòu)在動力學(xué)仿真方面基本符合預(yù)期設(shè)計。