異體同構(gòu)連接分離裝置設(shè)計(jì)與分析①

王文龍，毛林全，孫興亮，殷新喆，張曉天

(1.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094；2.中國載人航天工程辦公室，北京 100071；3.北京航空航天大學(xué)，北京 100191)

0 引言

隨著在軌任務(wù)的多樣化及復(fù)雜化，具有單次鎖緊與釋放功能的衛(wèi)星鎖緊裝置已經(jīng)不能滿足在軌復(fù)雜操作及未來天地往返任務(wù)中對衛(wèi)星多次重復(fù)鎖緊的需求，具有大承載、低沖擊、可重復(fù)連接與分離的衛(wèi)星鎖緊裝置是未來空間任務(wù)急需解決的難題之一。世界各航天強(qiáng)國在空間有效載荷連接與分離領(lǐng)域進(jìn)行了深入的研究，也取得了很多可供借鑒的成果。在空間艙段連接與分離方面，國內(nèi)外成功應(yīng)用的空間艙段連接與分離裝置主要有兩大類：一類是錐-桿式連接鎖定裝置[1-2]；另一類是異體同構(gòu)周邊式連接鎖定裝置[3-6]。在機(jī)械臂重復(fù)連接與分離領(lǐng)域，加拿大研制的SRMS末端執(zhí)行器[7-8]、美國軌道快車計(jì)劃中的三爪式重復(fù)連接與分離裝置[9]、歐洲研制的ERA(European Robotic Arm)機(jī)械臂系統(tǒng)[10]等可有效實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)物體的重復(fù)連接與釋放。針對飛行器在軌連接與分離需求，歐空局、日本以及美國分別研制了對應(yīng)的連接與分離裝置，實(shí)現(xiàn)了飛行器的在軌重復(fù)鎖緊與釋放[11-13]。除此之外，相關(guān)研究機(jī)構(gòu)還提出利用電磁力來實(shí)現(xiàn)柔性重復(fù)連接與分離，該技術(shù)在在軌服務(wù)領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景[14-16]。綜合現(xiàn)有研究成果可知，現(xiàn)有在軌可重復(fù)連接與分離裝置主要用于艙段對接等大型航天器的連接與分離，具有較高的對接精度，但這些裝置均需要特定的接口且體積和質(zhì)量偏大，結(jié)構(gòu)也較為復(fù)雜，在通用性、可擴(kuò)展性等方面的研究也還不充分。為滿足未來越來越多的在軌重復(fù)連接與分離及天地往返式衛(wèi)星的需求，有必要對衛(wèi)星等在軌有效載荷開展具有小型化、輕量化、可擴(kuò)展特點(diǎn)的重復(fù)連接與分離裝置的研究，進(jìn)一步擴(kuò)大其在未來在軌服務(wù)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。

本文主要針對模塊化衛(wèi)星連接分離裝置進(jìn)行研究，提出一種異體同構(gòu)式連接分離裝置，為空間在軌服務(wù)、有效載荷返回、拓展重復(fù)連接與分離產(chǎn)品型譜等方面提供支撐。

1 功能需求與性能指標(biāo)

1.1 功能需求

面向微小衛(wèi)星在軌服務(wù)的連接分離技術(shù)的需求，研制的異體同構(gòu)連接分離裝置在整個(gè)作業(yè)過程中需滿足如下功能需求：

1)發(fā)射階段：對衛(wèi)星進(jìn)行可靠鎖緊，保證整個(gè)裝置的剛度與基頻；

2)在軌階段：保證對執(zhí)行完預(yù)定任務(wù)的衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)多次重新導(dǎo)向、對接、鎖緊、解鎖、釋放；

3)返回階段：對衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)可靠鎖緊，保證衛(wèi)星返回階段的結(jié)構(gòu)安全；

4)具有在軌互換性，即可承擔(dān)連接分離裝置的主動(dòng)端的主動(dòng)捕獲功能，又可承擔(dān)被動(dòng)端的輔助捕獲功能；

5)具有一定的容差適應(yīng)性，當(dāng)主動(dòng)端與被動(dòng)端有一定位姿偏差時(shí)可以自動(dòng)校正。

1.2 性能指標(biāo)

異體同構(gòu)連接分離裝置所安裝的衛(wèi)星尺寸為800 mm×800 mm×800 mm，衛(wèi)星質(zhì)量為50 kg。連接分離裝置需要滿足的容差指標(biāo)如表1所示。

表1 容差技術(shù)指標(biāo)

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)構(gòu)原理及組成

“異體同構(gòu)”指的是連接分離裝置的主動(dòng)端與被動(dòng)端是完全相同的，在對接過程中根據(jù)任務(wù)的需求既可作為對接的主動(dòng)端，又可作為被動(dòng)端。當(dāng)扮演被動(dòng)端“角色”時(shí)連接分離裝置在對接過程中可不運(yùn)動(dòng)，僅作為被對接對象(也可做鏡像運(yùn)動(dòng))，而主動(dòng)端則通過驅(qū)動(dòng)模塊帶動(dòng)相關(guān)機(jī)構(gòu)工作，使得其上的執(zhí)行機(jī)構(gòu)與“扮演”被動(dòng)端的執(zhí)行機(jī)構(gòu)對接以完成鎖緊工作。

如圖1所示，異體同構(gòu)連接分離裝置整體為柱式結(jié)構(gòu)，由支承結(jié)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)組和驅(qū)動(dòng)裝置組成。驅(qū)動(dòng)裝置為執(zhí)行機(jī)構(gòu)組提供驅(qū)動(dòng)力，在支承結(jié)構(gòu)的配合下完成對接工作。驅(qū)動(dòng)裝置由電機(jī)、減速器和蝸輪蝸桿組成；執(zhí)行機(jī)構(gòu)組由耦合環(huán)、固定環(huán)、驅(qū)動(dòng)環(huán)和插銷環(huán)組成；支承結(jié)構(gòu)由立柱和上下圓板組成。電機(jī)通電后，經(jīng)減速器和蝸輪蝸桿將運(yùn)動(dòng)傳遞至執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由驅(qū)動(dòng)環(huán)帶動(dòng)耦合環(huán)和插銷環(huán)在導(dǎo)向槽的引導(dǎo)下旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)，最終由主動(dòng)端耦合環(huán)上的主動(dòng)卡鉤與被動(dòng)端驅(qū)動(dòng)環(huán)上的被動(dòng)卡鉤配合完成軸向?qū)永o，由插銷與被接端頂蓋的插銷孔配合完成周向?qū)渔i緊。類似的，電機(jī)反轉(zhuǎn)，插銷抽出插銷孔，主動(dòng)卡鉤與被動(dòng)卡鉤分離，進(jìn)而主動(dòng)端與被動(dòng)端分離。

圖1 機(jī)構(gòu)組成及裝配關(guān)系

2.2 滑槽驅(qū)動(dòng)工作原理

對接環(huán)組由三個(gè)組件組成：驅(qū)動(dòng)環(huán)、耦合環(huán)和固定環(huán)，驅(qū)動(dòng)環(huán)作為主動(dòng)件，耦合環(huán)作為從動(dòng)件，固定環(huán)與對接機(jī)構(gòu)的底盤固連保持不動(dòng)。對接時(shí)，動(dòng)力系統(tǒng)將力矩傳遞到驅(qū)動(dòng)環(huán)，使其勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，在驅(qū)動(dòng)環(huán)和固定環(huán)內(nèi)外兩個(gè)導(dǎo)槽的共同約束下，滑銷按照給定軌跡旋轉(zhuǎn)上升，由于滑銷和耦合環(huán)固連，因此耦合環(huán)呈現(xiàn)和滑銷相同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在耦合環(huán)上升至最高點(diǎn)后再令其向下移動(dòng)一小段，從而使耦合環(huán)卡扣與被動(dòng)端驅(qū)動(dòng)環(huán)的卡扣扣緊，完成軸向連接，如圖2所示。

圖2 機(jī)構(gòu)作動(dòng)的四個(gè)階段

2.3 容差機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為保證異體同構(gòu)連接分離裝置的對接成功，需要在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)之前有較為良好的對準(zhǔn)度，因此設(shè)計(jì)了容差機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)能夠在異體同構(gòu)連接分離裝置開始工作之前消除衛(wèi)星的相對徑向和周向偏差，從而保證了異體同構(gòu)連接分離裝置的正常運(yùn)行。

2.3.1 三瓣式容差機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

對接機(jī)構(gòu)的默認(rèn)狀態(tài)下，驅(qū)動(dòng)環(huán)卡鉤與表面平齊，耦合環(huán)下沉入本體內(nèi)。從圖中可以看出驅(qū)動(dòng)環(huán)卡鉤與耦合環(huán)卡鉤處于“上下對齊”的相位上，因此設(shè)計(jì)了耦合環(huán)上滑銷槽的水平段，用于調(diào)整相位，為耦合環(huán)卡鉤伸出創(chuàng)造通路。另外，此默認(rèn)狀態(tài)也即為對接中的被動(dòng)端狀態(tài)，卡鉤上下對齊是為主動(dòng)星上的耦合環(huán)卡鉤插入被動(dòng)星驅(qū)動(dòng)環(huán)鎖緊提供通路。

容差機(jī)構(gòu)的導(dǎo)向環(huán)安裝在固定環(huán)內(nèi)側(cè)，有三只導(dǎo)向爪均布在環(huán)上，對接時(shí)兩個(gè)導(dǎo)向環(huán)相互靠近，通過導(dǎo)向環(huán)上的導(dǎo)向爪的接觸調(diào)整對接機(jī)構(gòu)的相位，為對接主動(dòng)端上的插銷環(huán)順利插入被動(dòng)端的插銷孔提供粗導(dǎo)向作用。

影響其容差能力的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)包括：導(dǎo)向瓣外徑、內(nèi)翻角度以及每個(gè)瓣的拔模角度。由于導(dǎo)向瓣固定在對接機(jī)構(gòu)的內(nèi)部，因此其外徑尺寸受限。導(dǎo)向瓣內(nèi)翻角度越大，其周向容差能力越大，但是相應(yīng)的徑向容差能力則會降低。拔模角度雖會增強(qiáng)容差能力，但是拔模角度過大會導(dǎo)致導(dǎo)向瓣過于尖銳，從而在對接碰撞的過程中有破壞的風(fēng)險(xiǎn)。綜合以上因素，將導(dǎo)向瓣內(nèi)翻角度設(shè)定為30°，拔模角度設(shè)為10°，通過仿真驗(yàn)證可以滿足容差技術(shù)指標(biāo)。

圖3 導(dǎo)向瓣尺寸

圖4 導(dǎo)向瓣拔模設(shè)計(jì)

圖5 三瓣式容差機(jī)構(gòu)

2.3.2 雙瓣式容差機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

雖然通過仿真分析可以看出容差機(jī)構(gòu)有一定的導(dǎo)向作用，但由于三瓣式的設(shè)計(jì)，導(dǎo)致異體同構(gòu)被破壞，因此將三瓣式的設(shè)計(jì)進(jìn)行修改，改為雙瓣式設(shè)計(jì)，這樣在衛(wèi)星對接的過程中，容差機(jī)構(gòu)實(shí)際上為鏡向?qū)?，因此主被?dòng)端的瓣相互插入對方空隙，仍然可以保證一定的容差能力，并且安裝在異體同構(gòu)連接分離裝置中心，不會破壞整個(gè)機(jī)構(gòu)的異體同構(gòu)性。修改后的雙瓣式容差機(jī)構(gòu)如圖6所示。

圖6 雙瓣式容差機(jī)構(gòu)

3 容差仿真分析

將對接機(jī)構(gòu)模型導(dǎo)入ADAMS中，分別賦予各零件對應(yīng)材料，設(shè)置仿真環(huán)境無重力，主被動(dòng)機(jī)構(gòu)位于同一中心軸線上，被動(dòng)端機(jī)構(gòu)固定位置，主動(dòng)機(jī)構(gòu)不作限制。通過調(diào)整主動(dòng)對接機(jī)構(gòu)的初始位置改變徑向或周向偏差，徑向偏差由主動(dòng)端的軸線偏離位置決定，周向偏差由主動(dòng)端繞軸線的旋轉(zhuǎn)角度決定。給定主動(dòng)機(jī)構(gòu)一定的初速度(這里取0.1 m/s)，仿真時(shí)主動(dòng)機(jī)構(gòu)以其初速度向被動(dòng)端平移靠近，最終在導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的作用下消除偏差。

圖7 仿真建模過程

3.1 三瓣式容差機(jī)構(gòu)工作過程仿真

1)徑向偏差

為驗(yàn)證導(dǎo)向環(huán)粗導(dǎo)向功能的可實(shí)現(xiàn)性并計(jì)算粗導(dǎo)向的裕度，建立帶有導(dǎo)向環(huán)的對接機(jī)構(gòu)三維仿真動(dòng)力學(xué)模型，在多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS中進(jìn)行相應(yīng)的仿真分析。如圖所示為導(dǎo)向環(huán)工作過程仿真示意圖，當(dāng)主被動(dòng)端沿軸向相互接近時(shí)，導(dǎo)向環(huán)互相接觸，使得主被動(dòng)端的徑向偏差逐漸減小，最終使得主被動(dòng)端中心軸相互對齊。仿真結(jié)果顯示，當(dāng)主被動(dòng)端之間的純徑向偏差不超過±6 mm時(shí)，導(dǎo)向環(huán)能夠使得主被動(dòng)端正常對接，如圖8(a)，圖9(a)所示。

(a)徑向偏差 (b)周向偏差

2)周向偏差

如圖9所示為導(dǎo)向環(huán)工作過程仿真示意圖，當(dāng)主被動(dòng)端沿軸向相互接近時(shí)，導(dǎo)向環(huán)互相接觸，使得主被動(dòng)端的周向偏差逐漸減小，最終使得主被動(dòng)端周向接口相互對齊。仿真結(jié)果顯示，當(dāng)主被動(dòng)端之間的純周向偏差不超過±25°時(shí)，導(dǎo)向環(huán)能夠使得主被動(dòng)端正常對接。(圖8(b)，圖9(b))

(a)平動(dòng)位移(6mm初始偏移)曲線

(b)轉(zhuǎn)角位移曲線(25°初始轉(zhuǎn)角)曲線

3.2 雙瓣式容差機(jī)構(gòu)工作過程仿真

1)徑向偏差

從理論角度講，由于雙瓣式與三瓣式只是在瓣數(shù)上有所改變，其具體的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)包括導(dǎo)向瓣的錐角等并未改變，因此雙瓣式與三瓣式在容差能力上應(yīng)該大致相當(dāng)。根據(jù)仿真結(jié)果顯示，雙瓣式與三瓣式容差機(jī)構(gòu)的徑向容差能力相當(dāng)，當(dāng)主被動(dòng)端之間的純徑向偏差不超過±6 mm時(shí)，導(dǎo)向瓣能夠使得主被動(dòng)端正常對接，如圖10(a)，圖11(a)所示。

2)周向偏差

同樣地，仿真結(jié)果顯示，當(dāng)主被動(dòng)端之間的純周向偏差不超過±25°時(shí)，主被動(dòng)端仍能正常對接，如圖10(b)，圖11(b)所示。

(a)徑向偏差 (b)周向偏差

(a)平動(dòng)位移(6mm初始偏移)曲線

(b)轉(zhuǎn)角位移曲線(25°初始轉(zhuǎn)角)曲線

4 實(shí)物驗(yàn)證

4.1 功能對接試驗(yàn)

為驗(yàn)證核心部件的對接性能，手動(dòng)旋轉(zhuǎn)固定環(huán)(銀色)，使耦合環(huán)開始運(yùn)動(dòng)，并深入被動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)，完成鎖緊。下圖12為對接過程完成之后的狀態(tài)。

圖12 核心部件對接鎖緊試驗(yàn)

將核心部件與驅(qū)動(dòng)組件連接，在電機(jī)的帶動(dòng)下，整個(gè)機(jī)構(gòu)可以流暢地完成整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程，從圖13中可以看出，整個(gè)機(jī)構(gòu)可以流暢地完成整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程。

圖13 開始運(yùn)動(dòng)(左)、插銷伸出(中)、運(yùn)動(dòng)結(jié)束(右)

將兩套異體同構(gòu)連接分離裝置分別安裝到模擬衛(wèi)星上，并將兩星置于一條移動(dòng)平臺上，模擬兩星對接過程，當(dāng)兩星對接時(shí)，可在移動(dòng)平臺上移動(dòng)，如圖14所示。

圖14 開始運(yùn)動(dòng)(左)、插銷伸出(中)、運(yùn)動(dòng)結(jié)束(右)

在完成對接后，令移動(dòng)平臺上的滾珠絲杠反轉(zhuǎn)，此時(shí)會發(fā)現(xiàn)主動(dòng)衛(wèi)星帶著被動(dòng)衛(wèi)星在滑軌上一起運(yùn)動(dòng)，說明衛(wèi)星對接成功。

4.2 容差對接試驗(yàn)

將主動(dòng)衛(wèi)星與被動(dòng)端衛(wèi)星按照表1所示容差條件在移動(dòng)平臺設(shè)置相對位置，控制主動(dòng)端去捕獲被動(dòng)端，如圖15所示。

圖15 容差對接過程

從該過程中可以看出，衛(wèi)星的相對偏差在導(dǎo)向瓣的導(dǎo)向作用下逐漸消除，最終達(dá)到平面接觸狀態(tài)，從而驗(yàn)證了容差機(jī)構(gòu)的有效性，在衛(wèi)星表面接觸之后，異體同構(gòu)連接分離裝置啟動(dòng)，完成對接。

5 結(jié)論

根據(jù)初步的設(shè)計(jì)方案，完成了異體同構(gòu)連接分離裝置各個(gè)組件的設(shè)計(jì)，初步確定了機(jī)構(gòu)原理的可行性。面向異體同構(gòu)連接分離裝置，提出三瓣式和雙瓣式兩種容差機(jī)構(gòu)，并進(jìn)行了仿真分析，獲得兩瓣式的優(yōu)選方案。完成了異體同構(gòu)連接分離裝置核心部件及整機(jī)的無容差對接試驗(yàn)和有容差對接試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明異體同構(gòu)連接分離裝置的容差機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、方案可行，且指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。