空間交會(huì)對(duì)接機(jī)構(gòu)綜述及發(fā)展展望

馬 帥，馮 欣，孔 寧，周 磊，朱子環(huán)

(1.北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京 100074；2.北京科技大學(xué)，北京 100083)

0 引言

空間交會(huì)對(duì)接包括空間交會(huì)與空間對(duì)接兩個(gè)步驟，飛行器在太空特定位置會(huì)合稱為空間交會(huì)，使飛行器在結(jié)構(gòu)和功能上結(jié)合為剛性整體則為空間對(duì)接?？臻g交會(huì)對(duì)接技術(shù)是地空間人貨往返、航天器在軌重組、延長(zhǎng)飛行器壽命、建造地球軌道空間站等的技術(shù)基礎(chǔ)和必要條件，更是今后長(zhǎng)期進(jìn)行太空實(shí)驗(yàn)、空間探測(cè)的必經(jīng)之路。

空間交會(huì)對(duì)接面臨著在飛行器運(yùn)行速度高的條件下完成精確對(duì)接的技術(shù)難題，隨著各國(guó)綜合實(shí)力的提高和對(duì)航天事業(yè)的投入，航天領(lǐng)域的難題不斷被突破。冷戰(zhàn)期間的太空競(jìng)賽是美蘇航天技術(shù)發(fā)展的重要基石，1966和1967兩年美蘇分別實(shí)現(xiàn)了世界首次空間手動(dòng)和自動(dòng)交會(huì)對(duì)接，在空間交會(huì)對(duì)接技術(shù)方面的優(yōu)先權(quán)幫助美蘇完成了多次空間飛行試驗(yàn)任務(wù)，如阿波羅登月計(jì)劃、天空實(shí)驗(yàn)室計(jì)劃、航天飛機(jī)任務(wù)、禮炮號(hào)與和平號(hào)空間站的建造等。在航天器可重復(fù)使用理念的影響下，世界上大力開展了在軌服務(wù)技術(shù)的研究，大型航天器逐漸向集成化、緊湊性更高的小型航天器發(fā)展，空間對(duì)接機(jī)構(gòu)也朝著機(jī)電液氣熱數(shù)一體化方向演變，在軌可更換模塊(orbital replacement unit, ORU)因具有任務(wù)靈活性也備受關(guān)注，同時(shí)進(jìn)行了如軌道快車計(jì)劃、太空鏡片組裝和H2020項(xiàng)目等的技術(shù)探索。我國(guó)哈爾濱工業(yè)大學(xué)、東北大學(xué)、南京航空航天大學(xué)等單位也進(jìn)行了探索。

本文基于空間交會(huì)對(duì)接機(jī)構(gòu)相關(guān)的國(guó)內(nèi)外大量文獻(xiàn)，重點(diǎn)概述了多年來(lái)機(jī)械式對(duì)接機(jī)構(gòu)的技術(shù)進(jìn)展和研究成果，展望了未來(lái)空間交會(huì)對(duì)接機(jī)構(gòu)研制的探索方向。

1 空間交會(huì)對(duì)接技術(shù)

1957年蘇聯(lián)將世界上第一顆人造衛(wèi)星發(fā)射升空，這項(xiàng)工程的成功為人類探索空間、開發(fā)太空資源奠定了基礎(chǔ)?？臻g交會(huì)對(duì)接是一項(xiàng)復(fù)雜困難、較難攻關(guān)的技術(shù)，這也是美蘇中成功實(shí)現(xiàn)發(fā)射人造衛(wèi)星、宇航員出艙活動(dòng)后，再投入大量人員和利用先進(jìn)技術(shù)不斷攻關(guān)的原因。近60年來(lái)，為了滿足人類監(jiān)測(cè)偵察、通信科研、在軌服務(wù)等各方面的需求，空間交會(huì)對(duì)接技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，其發(fā)展過(guò)程主要分為試驗(yàn)研究、技術(shù)發(fā)展、成熟應(yīng)用這3個(gè)階段，其中一些里程碑事件如圖1所示。

圖1 空間交會(huì)對(duì)接技術(shù)發(fā)展概況Fig.1 Overview of space rendezvous and docking technology development

在幾百次的空間交會(huì)對(duì)接中，錐桿式對(duì)接機(jī)構(gòu)最先運(yùn)用在航天器中，且技術(shù)也最為成熟，之后又相繼研制了導(dǎo)向瓣外翻和內(nèi)翻的異體同構(gòu)周邊式、三爪式等多種形式的對(duì)接機(jī)構(gòu)，主動(dòng)航天器的對(duì)接接口由執(zhí)行的航天任務(wù)和被動(dòng)航天器的結(jié)構(gòu)接口確定。3種對(duì)接機(jī)構(gòu)都已完成了在軌驗(yàn)證，如雙子座-8與阿金納號(hào)、阿波羅號(hào)登月飛船、禮炮號(hào)空間站、ETS-7衛(wèi)星、國(guó)際空間站俄羅斯艙段等使用錐桿式對(duì)接機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)交會(huì)對(duì)接，阿波羅號(hào)與聯(lián)盟號(hào)使用導(dǎo)向瓣外翻的周邊式對(duì)接機(jī)構(gòu)完成交會(huì)對(duì)接，航天飛機(jī)與和平號(hào)空間站、天宮一號(hào)與神舟八號(hào)、龍飛船與國(guó)際空間站等使用導(dǎo)向瓣內(nèi)翻的周邊式對(duì)接機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)交會(huì)對(duì)接，軌道快車計(jì)劃、國(guó)際空間站中日本暴露設(shè)施等使用三爪式對(duì)接機(jī)構(gòu)完成交會(huì)對(duì)接。

由于科研時(shí)間的積累和科研人員的攻關(guān)，錐桿式、周邊式、三爪式這3種空間對(duì)接機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研究已經(jīng)發(fā)展到成熟階段，基本上可以滿足不同的任務(wù)和要求。錐桿式對(duì)接機(jī)構(gòu)由于對(duì)接末段導(dǎo)向桿存在直線段行程，可以滿足電連接器等的被動(dòng)插接要求，從而達(dá)到先捕獲導(dǎo)向，再器件插接后，機(jī)械鎖緊的工作模式。周邊式和三爪式對(duì)接機(jī)構(gòu)只起捕獲導(dǎo)向作用，在無(wú)其他輔助設(shè)施下，整個(gè)對(duì)接過(guò)程基本無(wú)直線段行程，電連接器大多在對(duì)接完成后實(shí)現(xiàn)主動(dòng)插接，因此，這兩種對(duì)接形式可以達(dá)到先捕獲導(dǎo)向再機(jī)械鎖緊后器件插接的工作模式。這3種導(dǎo)向?qū)有问降膬?yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表1所示。

表1 導(dǎo)向?qū)有问降膬?yōu)缺點(diǎn)對(duì)比Tab.1 Comparison of pros and cons for guided docking forms

2 錐桿式空間交會(huì)對(duì)接機(jī)構(gòu)

錐桿式對(duì)接機(jī)構(gòu)起源于蘇聯(lián)，經(jīng)過(guò)蘇聯(lián)對(duì)其的不斷改進(jìn)，錐桿式對(duì)接機(jī)構(gòu)已廣泛應(yīng)用于航天領(lǐng)域，如載人/貨飛船與空間站對(duì)接、航天器局部模塊更換維修等，技術(shù)比較成熟，至今俄羅斯的飛船仍采用該形式與國(guó)際空間站對(duì)接。錐桿式對(duì)接機(jī)構(gòu)由主動(dòng)導(dǎo)向桿單元和被動(dòng)接納錐單元組成，兩單元周邊布置鎖緊結(jié)構(gòu)，如圖2所示。導(dǎo)向桿最初設(shè)計(jì)剛度較大，導(dǎo)向桿桿頭設(shè)計(jì)為圓球形結(jié)構(gòu)可以保證在對(duì)接過(guò)程中和接納錐始終保持點(diǎn)接觸。為了更好地完成交會(huì)對(duì)接，避免導(dǎo)向桿和接納錐碰撞彈出，不能捕獲，軍事科學(xué)院優(yōu)化了接納錐型面，使得對(duì)接桿與接納錐碰撞后反彈進(jìn)入捕獲區(qū)。

圖2 錐桿式對(duì)接機(jī)構(gòu)Fig.2 Cone-rod typed docking mechanism

由于剛性導(dǎo)向桿在對(duì)接過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的碰撞沖擊力，美國(guó)密歇根航空航天公司設(shè)計(jì)了一種占用空間小、體積質(zhì)量小的自主交會(huì)對(duì)接系統(tǒng)(autonomous rendezvous and docking system, ARD)，如圖3(a)所示，ARD的導(dǎo)向桿是一根可以彎曲的電纜，該柔性電纜可以伸展插入被動(dòng)航天器的接納錐。為了增大對(duì)接接口載荷能力，改進(jìn)設(shè)計(jì)了用于大型衛(wèi)星的自主衛(wèi)星對(duì)接系統(tǒng)(autonomous satellite docking system, ASDS)，如圖3(b)所示，ASDS改進(jìn)了鎖緊結(jié)構(gòu)，可以保證接口連接的有效性，但是很難實(shí)現(xiàn)6自由度對(duì)接下的軸向?qū)R，且用于防止電纜回縮的鎖緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜。

圖3 ARD與ASDS對(duì)接機(jī)構(gòu)Fig.3 ARD and ASDS docking mechanism

為了適應(yīng)微型衛(wèi)星對(duì)接，美國(guó)密歇根航空航天公司基于ASDS又研制了自主微衛(wèi)星對(duì)接系統(tǒng)(autonomous micro-satellite docking system, AMDS)。如圖4所示，AMDS中心為柔性電纜，周邊均布3個(gè)小導(dǎo)向桿，小導(dǎo)向桿桿部為錐形，以便提高整個(gè)系統(tǒng)的抗剪切能力，3個(gè)小接納錐分別為平面、錐形、V形，在完全對(duì)接后限制機(jī)構(gòu)的6個(gè)自由度。

圖4 AMDS對(duì)接機(jī)構(gòu)及其對(duì)接過(guò)程Fig.4 AMDS docking mechanism and its docking process

為保證航天器的對(duì)接剛性，避免在徑向或扭轉(zhuǎn)載荷下發(fā)生彎曲，最新的對(duì)接機(jī)構(gòu)演化為ASDS—Ⅱ，如圖5所示，其與AMDS的結(jié)構(gòu)尺寸大致相同，但通過(guò)剛性優(yōu)化，ASDS—Ⅱ能夠在更高的負(fù)載下保持界面的對(duì)接公差。與ARD的旋轉(zhuǎn)鎖緊不同，ASDS—Ⅱ采用彈簧—棘輪，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高。

圖5 ASDS—Ⅱ?qū)訖C(jī)構(gòu)及其鎖緊過(guò)程Fig.5 ASDS—Ⅱ docking mechanism and its locking process

在軌服務(wù)的理念來(lái)源于方便維護(hù)在軌的故障航天器，由于航天器的模塊化設(shè)計(jì)，ORU技術(shù)是未來(lái)延長(zhǎng)航天器壽命、在軌替換升級(jí)的重要基礎(chǔ)。歐洲航天局為了推廣空間燃料補(bǔ)給標(biāo)準(zhǔn)，啟動(dòng)了ASSIST研制項(xiàng)目。ASSIST與ASDS—Ⅱ類似，柔性導(dǎo)向桿位于主動(dòng)單元對(duì)接面中心，周邊均布3個(gè)小導(dǎo)向桿，但是ASSIST對(duì)接面布置了4個(gè)電液接口，實(shí)現(xiàn)了機(jī)電液一體化，如圖6所示。

圖6 ASSIST對(duì)接機(jī)構(gòu)Fig.6 ASSIST docking mechanism

如圖7所示，ASSIST通過(guò)柔性導(dǎo)向桿實(shí)現(xiàn)主被動(dòng)單元的對(duì)接，捕獲后由中心絲杠驅(qū)動(dòng)四連桿機(jī)構(gòu)完成單元靠近和電連接器、流體接口的插接，3個(gè)小導(dǎo)向桿承受外部扭轉(zhuǎn)載荷。

圖7 ASSIST對(duì)接過(guò)程Fig.7 Docking process of ASSIST

為了更好地發(fā)展航天器的模塊化裝配和在軌維修更換，德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)、柏林工業(yè)大學(xué)等聯(lián)合開發(fā)了智能在軌衛(wèi)星服務(wù)模塊(intelligent building blocks for on-orbit satellite servicing, iBOSS)，iBOSS有兩種結(jié)構(gòu)類型，一種是系統(tǒng)模塊彼此排列，獨(dú)立在其他模塊外，另一種是結(jié)構(gòu)模塊承載，系統(tǒng)模塊分布在其周圍，如圖8所示。

圖8 iBOSS結(jié)構(gòu)類型Fig.8 Structural type of iBOSS

經(jīng)過(guò)技術(shù)改進(jìn)，iBOSS更新了3次:第一代采用空間凸輪和卡扣結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)接鎖緊，無(wú)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，要求對(duì)接精度高，如圖9(a)所示。

圖9 iBOSS對(duì)接機(jī)構(gòu)Fig.9 iBOSS docking mechanism

第二代改進(jìn)了空間凸輪和卡扣結(jié)構(gòu)，增加了導(dǎo)向機(jī)構(gòu)(主被動(dòng)單元對(duì)接面各有4根導(dǎo)向桿)，對(duì)接面嵌入電力傳輸環(huán)，如圖9(b)所示；第三代主要改變了電力傳輸?shù)姆绞?，取消了?duì)接面上的電力傳輸環(huán)，將電力傳輸裝置內(nèi)置在導(dǎo)向桿，導(dǎo)向桿頭作為傳輸開關(guān)，主被動(dòng)單元對(duì)接面各有8根導(dǎo)向桿，如圖9(c)所示。

在H2020未來(lái)空間任務(wù)機(jī)器人操縱有效載荷的標(biāo)準(zhǔn)接口(standard interface for robotic manipulation of payloads in future space missions, SIROM)項(xiàng)目中，德國(guó)不來(lái)梅大學(xué)聯(lián)合英國(guó)思克萊德大學(xué)研發(fā)了機(jī)電熱數(shù)一體化的多功能標(biāo)準(zhǔn)接口，如圖10所示。SIROM和iBOSS結(jié)構(gòu)和布局相似，對(duì)接面含有4根導(dǎo)向桿、4個(gè)接納錐和1個(gè)凸輪鎖緊機(jī)構(gòu)(見圖10綠色)，含有8個(gè)數(shù)據(jù)接口(見圖10紅色)，含有4個(gè)電接口(見圖10黃色)，含有4個(gè)動(dòng)力接口(見圖10藍(lán)色)。

圖10 SIROM對(duì)接機(jī)構(gòu)Fig.10 SIROM docking mechanism

在軌道快車計(jì)劃中，ORU的主被動(dòng)單元也使用了錐桿式對(duì)接機(jī)構(gòu)。ORU由被動(dòng)接收組件(ORU container assembly, OCA)和主動(dòng)插入組件(ORU interface assembly, OIA)組成，OIA含有2個(gè)導(dǎo)向桿A，2個(gè)鎖緊環(huán)B，中心還有一個(gè)電連接器C，發(fā)射時(shí)對(duì)接面四周布有定位銷E，同理，OCA對(duì)接面配置與之對(duì)應(yīng)，如圖11所示。

圖11 OCA和OIA對(duì)接機(jī)構(gòu)Fig.11 OCA and OIA docking mechanism

我國(guó)對(duì)錐桿式對(duì)接機(jī)構(gòu)的研究?jī)?nèi)容鮮有記載，在ORU研制方面也未有在軌實(shí)例應(yīng)用。哈爾濱工業(yè)大學(xué)對(duì)軌道快車計(jì)劃中ORU進(jìn)行改進(jìn)，鎖緊機(jī)構(gòu)采用有旋轉(zhuǎn)弧度的葉片，對(duì)接時(shí)，葉片和鎖緊孔間存在間隙，不干涉ORU對(duì)接，對(duì)接后，兩者產(chǎn)生擠壓預(yù)緊力，保證ORU的穩(wěn)定性，如圖12所示。

圖12 哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的對(duì)接機(jī)構(gòu)Fig.12 Docking mechanism developed by Harbin Institute of Technology

東北大學(xué)仍以軌道快車計(jì)劃中的ORU為設(shè)計(jì)原型，采用類螺紋原理設(shè)計(jì)了鎖緊機(jī)構(gòu)，如圖13所示。鎖緊機(jī)構(gòu)末端配有觸點(diǎn)開關(guān)，開關(guān)觸發(fā)后電機(jī)停轉(zhuǎn)，完成鎖緊，對(duì)接面有電源與數(shù)據(jù)的集成接口，減少了器件插拔的次數(shù)。

圖13 東北大學(xué)研制的對(duì)接機(jī)構(gòu)Fig.13 Docking mechanism developed by Northeastern University

南京航空航天大學(xué)摒棄了較為復(fù)雜的鎖緊機(jī)構(gòu)，鎖緊接口為絲杠—螺母機(jī)械組合，該組合將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線移動(dòng)，為元器件的插接提供動(dòng)力，螺母位于OCA底板，絲杠位于OIA底板，兩根導(dǎo)向桿處于對(duì)角位置，如圖14所示。

圖14 南京航空航天大學(xué)研制的對(duì)接機(jī)構(gòu)Fig.14 Docking mechanism developed by Nanjing University of Aeronautics and Astronautics

3 周邊式空間交會(huì)對(duì)接機(jī)構(gòu)

雖然錐桿式對(duì)接機(jī)構(gòu)技術(shù)成熟，但是載人交會(huì)對(duì)接后，需要拆除接納錐組件才能實(shí)現(xiàn)航天員內(nèi)部互通，因此，美蘇在“阿波羅—聯(lián)盟對(duì)接測(cè)試計(jì)劃”中進(jìn)行合作，設(shè)計(jì)了異體同構(gòu)周邊式對(duì)接機(jī)構(gòu)——APAS—75。APAS—75的主被動(dòng)單元上分別布置3片外翻的導(dǎo)向瓣和緩沖減震裝置，單元含有8個(gè)結(jié)構(gòu)鎖，如圖15所示。

圖15 APAS—75對(duì)接機(jī)構(gòu)Fig.15 APAS—75 docking mechanism

導(dǎo)向瓣外翻不便于航天員維修，故美國(guó)又研制了導(dǎo)向瓣內(nèi)翻的APAS—89，如圖16所示，APAS—89采用6自由度Stewart平臺(tái)作為阻尼部件，具備伸縮減震功能，同時(shí)單元上的結(jié)構(gòu)鎖也增加至12個(gè)，美國(guó)航天飛機(jī)與和平號(hào)空間站對(duì)接以及國(guó)際空間站美國(guó)艙段接口都采用APAS—89。

圖16 APAS—89對(duì)接機(jī)構(gòu)Fig.16 APAS—89 docking mechanism

1997年我國(guó)將異體同構(gòu)周邊內(nèi)翻式作為航天器交會(huì)的對(duì)接機(jī)構(gòu)，期間經(jīng)歷了無(wú)數(shù)次的失敗，在不計(jì)其數(shù)的艱難攻關(guān)下，于2011年實(shí)現(xiàn)了天宮一號(hào)與神州八號(hào)首次交會(huì)對(duì)接，至今中國(guó)空間站不同艙段之間的連接也采用該種對(duì)接形式，如圖17所示。

圖17 中國(guó)空間站節(jié)點(diǎn)艙對(duì)接接口Fig.17 Docking port of the node module in China space station

在交會(huì)對(duì)接中，神州八號(hào)作為主動(dòng)單元，主要由捕獲鎖、絲杠組合、差動(dòng)組合等組成，天宮一號(hào)作為被動(dòng)單元，主要由卡板器、電路浮動(dòng)斷接器、分離推桿等組成。對(duì)接鎖通過(guò)偏心和防逆?zhèn)鲃?dòng)等設(shè)計(jì)達(dá)到自鎖形式。

4 三爪式空間交會(huì)對(duì)接機(jī)構(gòu)

為了提高在軌航天器的自主維修能力和壽命而誕生了軌道快車計(jì)劃，基于微衛(wèi)星軟對(duì)接的目的，美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了多種形式的對(duì)接結(jié)構(gòu)，經(jīng)對(duì)比論證，采用了三爪式對(duì)接機(jī)構(gòu)(starsys research corporation, SRC)。SRC主動(dòng)單元周向均布3個(gè)捕獲爪，被動(dòng)單元與之對(duì)應(yīng)的是3個(gè)V形槽，如圖18所示。

圖18 SRC對(duì)接機(jī)構(gòu)Fig.18 SRC docking mechanism

由于SRC對(duì)接容差和能力較差，因此，通過(guò)放大設(shè)計(jì)尺寸研制了捕獲能力強(qiáng)的三爪式機(jī)械對(duì)接系統(tǒng)(mechanical docking system, MDS)，如圖19所示。

圖19 MDS對(duì)接機(jī)構(gòu)Fig.19 MDS docking mechanism

主動(dòng)單元的三爪采用電機(jī)和滾珠絲杠進(jìn)行傳動(dòng)，通過(guò)設(shè)置在電機(jī)上的傳感器調(diào)節(jié)抓緊力，對(duì)接面布置電液各3個(gè)接口，被動(dòng)單元仍是3個(gè)V形槽，槽內(nèi)增加了適應(yīng)偏載的緩沖彈簧。2006年對(duì)MDS進(jìn)行交會(huì)對(duì)接、補(bǔ)給推進(jìn)劑和更換模塊的測(cè)試，2007年在軌試驗(yàn)取得成功。

日本為了執(zhí)行Tanpopo任務(wù)，在國(guó)際空間站日本實(shí)驗(yàn)艙進(jìn)行了空間實(shí)驗(yàn)，暴露設(shè)施由暴露設(shè)施單元(exposed facility unit, EFU)和有效載荷接口單元(payload interface unit, PIU)構(gòu)成，如圖20所示。EFU含有3個(gè)捕獲爪，周邊布置6個(gè)接納錐，PIU含有3個(gè)V形槽和6個(gè)導(dǎo)向桿，中心還設(shè)有一個(gè)阻尼器。3個(gè)捕獲爪在電機(jī)、滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)粗捕獲，通過(guò)導(dǎo)向桿與接納錐的配合實(shí)現(xiàn)精確定位。

圖20 EFU和PIU對(duì)接機(jī)構(gòu)Fig.20 EFU and PIU docking mechanism

為解決單個(gè)衛(wèi)星機(jī)載資源有限的問(wèn)題，意大利帕多瓦大學(xué)設(shè)計(jì)了一種可以實(shí)現(xiàn)多平臺(tái)重組的新型對(duì)接機(jī)構(gòu)，該對(duì)接機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，如圖21所示，周邊分布8個(gè)捕獲爪，捕獲爪閉合時(shí)可以組成一個(gè)圓環(huán)，中心為彈簧壓板組成的緩沖預(yù)緊裝置，捕獲爪既有俘獲導(dǎo)向作用，又具備鎖緊功能。對(duì)接時(shí)，彈簧壓板先接觸，再主被動(dòng)單元包絡(luò)俘獲，后主動(dòng)單元捕獲爪旋轉(zhuǎn)鎖緊。

圖21 多平臺(tái)重組對(duì)接機(jī)構(gòu)Fig.21 Multi—platform reorganization docking mechanism

哈爾濱工業(yè)大學(xué)基于三爪式連接分離方式設(shè)計(jì)了一種空間一體化對(duì)接機(jī)構(gòu)，主要包括3個(gè)捕獲爪、電氣液接口、蓋板、中心定位桿等，如圖22所示，捕獲爪由絲杠—螺母?jìng)鲃?dòng)，實(shí)現(xiàn)捕獲—拉近—鎖緊，氣液接口復(fù)用，傳輸時(shí)只能單獨(dú)工作。

圖22 哈爾濱工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)的空間一體化對(duì)接機(jī)構(gòu)Fig.22 Space integration docking mechanism designed by Harbin Institute of Technology

針對(duì)機(jī)械臂抓取ORU實(shí)施在軌服務(wù)，上海宇航系統(tǒng)工程研究所設(shè)計(jì)了一種小型輕量的對(duì)接機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)捕獲容差大，剛度大。如圖23所示，對(duì)接機(jī)構(gòu)采用蝸輪蝸桿傳動(dòng)，保證有效自鎖，對(duì)接面通過(guò)內(nèi)部圓錐面、梯形塊、斜面等實(shí)現(xiàn)精確導(dǎo)向。

圖23 上海宇航系統(tǒng)工程研究所設(shè)計(jì)的小型輕量對(duì)接機(jī)構(gòu)Fig.23 Small lightweight docking mechanism designed by Shanghai Aerospace System Engineering Research Institute

華中科技大學(xué)提出三指-三瓣式對(duì)接機(jī)構(gòu)作為機(jī)械臂在軌服務(wù)的執(zhí)行器，如圖24所示，該機(jī)構(gòu)具有機(jī)電數(shù)傳輸功能，捕獲爪的伸展捕獲與拉近鎖緊動(dòng)作由電機(jī)、絲杠—螺母等組合進(jìn)行，整個(gè)對(duì)接過(guò)程分為直線段、過(guò)渡段和斜線段。

圖24 三指-三瓣式對(duì)接機(jī)構(gòu)Fig.24 Three finger-three petal docking mechanism

5 空間交會(huì)對(duì)接機(jī)構(gòu)總結(jié)與發(fā)展

5.1 空間交會(huì)對(duì)接機(jī)構(gòu)總結(jié)

錐桿式、周邊式、三爪式對(duì)接機(jī)構(gòu)技術(shù)成熟，在軌應(yīng)用較多，大型對(duì)接機(jī)構(gòu)到在軌可更換模塊、剛性對(duì)接到柔性對(duì)接、機(jī)械結(jié)構(gòu)的單一結(jié)合到機(jī)電液氣熱數(shù)的多用途傳輸?shù)榷喾矫娴难葑兘沂玖丝臻g交會(huì)對(duì)接技術(shù)的發(fā)展方向。本節(jié)對(duì)典型空間交會(huì)對(duì)接機(jī)構(gòu)的性能參數(shù)進(jìn)行歸納總結(jié)，系統(tǒng)對(duì)比和分析各對(duì)接機(jī)構(gòu)的技術(shù)特點(diǎn)，如表2所示。

表2 典型空間交會(huì)對(duì)接機(jī)構(gòu)的性能參數(shù)及特點(diǎn)Tab.2 Performance parameters and characteristics of typical space rendezvous and docking mechanisms

表2(續(xù))

5.2 空間交會(huì)對(duì)接機(jī)構(gòu)的發(fā)展方向

5.2.1 研制多形式、多變種的空間交會(huì)對(duì)接機(jī)構(gòu)

目前大型航天器都會(huì)執(zhí)行送貨或載人等任務(wù)，雖然執(zhí)行的任務(wù)不同，但是對(duì)接機(jī)構(gòu)形式較為單一，文獻(xiàn)[44]中就記載了我國(guó)航天器歷來(lái)唯一使用的周邊式空間交會(huì)對(duì)接機(jī)構(gòu)的形式確定和技術(shù)發(fā)展，文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[11]中根據(jù)航天任務(wù)的不同將交會(huì)對(duì)接進(jìn)行區(qū)分，主要分為載人送貨、非載人航天器、對(duì)航天器進(jìn)行在軌技術(shù)維修服務(wù)這3類對(duì)接，為了匹配對(duì)接機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，還總結(jié)形成了在軌自主對(duì)接和停泊輔助對(duì)接兩種對(duì)接方式，盡管要求空間交會(huì)對(duì)接機(jī)構(gòu)以多形式發(fā)展，但是這3類對(duì)接機(jī)構(gòu)都以簡(jiǎn)單、可靠等性能為設(shè)計(jì)使用要求，因此，可以探索結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、捕獲與導(dǎo)向功能齊全、擁有相對(duì)較大直徑封閉通道的對(duì)接機(jī)構(gòu)。航天器交會(huì)對(duì)接是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，文獻(xiàn)[18]中提到該過(guò)程是運(yùn)動(dòng)力學(xué)與碰撞力學(xué)的復(fù)合，要以機(jī)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)為主要因素考慮，故對(duì)接機(jī)構(gòu)需要具有穩(wěn)定的力學(xué)性能，可以承受火箭發(fā)射、運(yùn)行、對(duì)接時(shí)的載荷沖擊，還需具備可重復(fù)使用性能，能實(shí)現(xiàn)航天器多次對(duì)接分離的可靠連接，更需要具有良好的可維修性，宇航員在進(jìn)行操作和工作時(shí)滿足人機(jī)工程學(xué)的規(guī)定要素。文獻(xiàn)[7]和文獻(xiàn)[9]談到美國(guó)航天器在空間交會(huì)對(duì)接時(shí)，使用了多種測(cè)量敏感器件組合，對(duì)接階段的不同，工作的器件也不同，敏感器件的性能差異也會(huì)影響對(duì)接逼近的策略，這樣多器件的使用和對(duì)對(duì)接逼近的影響使得空間交會(huì)對(duì)接表現(xiàn)出一定的變化性和局限性，文獻(xiàn)[3]、文獻(xiàn)[10]、文獻(xiàn)[11]和文獻(xiàn)[17]等提出了發(fā)展對(duì)接測(cè)量技術(shù)的要求，因此，為了降低對(duì)捕獲過(guò)程中元器件性能精度的依賴，航天器對(duì)接自主性的提高也是一個(gè)重要的研究方向，對(duì)接過(guò)程需要全程人員根據(jù)信號(hào)不斷做出指示，且該過(guò)程十分依賴于捕獲敏感器的精度性能，因此，使敏感器對(duì)地面站的依賴性小、測(cè)量范圍不受邊界限制、功耗小、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的敏感器測(cè)量技術(shù)可為空間交會(huì)對(duì)接帶來(lái)重大意義。此外，對(duì)接機(jī)構(gòu)要求可以實(shí)現(xiàn)大徑向容差和俯仰、滾轉(zhuǎn)、偏航角容差下的柔性對(duì)接，達(dá)到兩航天器具備機(jī)電液共同利用、同時(shí)傳輸?shù)哪康?，?shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)和功能上的有效結(jié)合。除了與合作航天器的交會(huì)對(duì)接，還應(yīng)積極發(fā)展非合作目標(biāo)下的交會(huì)對(duì)接技術(shù)，即與接口參數(shù)、結(jié)構(gòu)未知的航天器交會(huì)對(duì)接，這在在軌維修本國(guó)民用衛(wèi)星和攻防他國(guó)軍用衛(wèi)星方面具有很高的價(jià)值。

5.2.2 著力發(fā)展在軌可更換模塊對(duì)接技術(shù)

ORU是空間交會(huì)對(duì)接機(jī)構(gòu)發(fā)展過(guò)程逐漸成熟的一個(gè)縮影，它是在大型航天器存在發(fā)射成本高、各系統(tǒng)交錯(cuò)復(fù)雜、在軌維修難等一系列缺點(diǎn)的背景下應(yīng)用而生，雖然國(guó)外對(duì)ORU的研究正在進(jìn)行，但是距離ORU在軌成熟使用還需要一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程。我國(guó)一些單位對(duì)ORU進(jìn)行了設(shè)計(jì)與試驗(yàn)，雖然設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)同時(shí)滿足了靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的要求，但是ORU整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)并未做到，文獻(xiàn)[37]、文獻(xiàn)[38]和文獻(xiàn)[40]中對(duì)ORU進(jìn)行了結(jié)構(gòu)框架和對(duì)接面導(dǎo)向結(jié)構(gòu)、鎖緊結(jié)構(gòu)、電力傳輸接口等分布的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)，但在控制、導(dǎo)航等系統(tǒng)上未開展相應(yīng)的工作，ORU接口的傳輸性功能也十分有限，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)機(jī)電液氣熱數(shù)等多用途傳輸，且我國(guó)部分單位研制的結(jié)構(gòu)都是以美國(guó)軌道快車計(jì)劃中的ORU為基礎(chǔ)進(jìn)行改動(dòng)設(shè)計(jì)，沒(méi)有體現(xiàn)出技術(shù)的創(chuàng)新性，因此，發(fā)展與研究整系統(tǒng)的在軌可更換模塊是十分必要的。為了保證發(fā)射和對(duì)接時(shí)的穩(wěn)定性，ORU的結(jié)構(gòu)存在許多冗余設(shè)計(jì)，這些冗余設(shè)計(jì)又增加了ORU的比重，降低了空間利用率，不能保證其他載荷的充分搭載；為了實(shí)現(xiàn)電液氣熱數(shù)的傳輸功能，ORU的對(duì)接界面被電連接器、流體接口等占據(jù)，從而限制了機(jī)械接口的設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[54]也指出了在有限的空間下實(shí)現(xiàn)緊湊布局、達(dá)到不同尺寸航天器對(duì)接接口的通用性要求以及多用途傳輸接口的集成是ORU研制面臨的挑戰(zhàn)，因此，推進(jìn)航天器模塊化設(shè)計(jì)、優(yōu)化ORU結(jié)構(gòu)冗余設(shè)計(jì)、提高ORU空間利用率、探索新型一體化傳輸方式等是ORU技術(shù)走向成熟的關(guān)鍵方向。ORU的更換依賴于機(jī)械臂夾持，機(jī)械臂是航天領(lǐng)域的高端裝備，集機(jī)電熱視等多學(xué)科于一體，為了降低以機(jī)械臂為主操控下進(jìn)給模式對(duì)航天器能源的消耗，ORU設(shè)計(jì)時(shí)需考慮對(duì)接的自主性、智能性，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂功能為輔、隨動(dòng)控制的零力對(duì)接模式。ORU整體性能受其軟硬件體系結(jié)構(gòu)影響，文獻(xiàn)[12]提出了分布式全總線體系結(jié)構(gòu)，電源、遙測(cè)、控制等多個(gè)系統(tǒng)由高速總線互聯(lián)，軟硬件均以分層體系結(jié)構(gòu)為框架進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此，為了使ORU達(dá)到高的可靠性、殘存性和容錯(cuò)能力，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)即插即用、信息協(xié)同處理等，應(yīng)對(duì)ORU進(jìn)行軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)，以部件功能實(shí)現(xiàn)為基礎(chǔ)，注重接口的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化，減少重復(fù)的開發(fā)和驗(yàn)證工作。

5.2.3 大膽探索電磁式空間交會(huì)對(duì)接技術(shù)

使用推力器不會(huì)避免其本身存在控制較難、污染等問(wèn)題，通過(guò)電動(dòng)機(jī)、減速器、傳動(dòng)部件等組成的鎖緊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜、占用空間大、不同步。電磁技術(shù)通過(guò)控制策略實(shí)現(xiàn)兩航天器弱撞擊對(duì)接，有效地保證結(jié)構(gòu)和儀器的正常工作，并且電磁技術(shù)不會(huì)引起羽流污染，因此，將電磁技術(shù)運(yùn)用到航天器對(duì)接過(guò)程和結(jié)構(gòu)鎖緊過(guò)程是未來(lái)空間交會(huì)對(duì)接技術(shù)的發(fā)展方向。電磁技術(shù)在航天器推進(jìn)系統(tǒng)和對(duì)接系統(tǒng)中都有在軌應(yīng)用實(shí)例，美國(guó)約翰遜航天中心工程局開發(fā)的用于觀測(cè)航天器太空活動(dòng)的微型自主艙外相機(jī)通過(guò)軸向?qū)佣丝谂c電磁基座兩者內(nèi)部的電磁鐵實(shí)現(xiàn)捕獲，美國(guó)馬里蘭大學(xué)聯(lián)合麻省理工學(xué)院等設(shè)計(jì)的衛(wèi)星編隊(duì)通過(guò)電磁通用端口實(shí)現(xiàn)對(duì)接，英國(guó)薩里大學(xué)提出了裝有電磁平面對(duì)接系統(tǒng)的小型智能自供電模塊構(gòu)想，并基于該思想開展了可重構(gòu)太空望遠(yuǎn)鏡的研究，意大利帕多瓦大學(xué)研制了裝備電磁鐵的自主交會(huì)控制對(duì)接機(jī)構(gòu)，我國(guó)國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等單位也對(duì)電磁對(duì)接機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)與樣機(jī)驗(yàn)證。針對(duì)航天器利用電磁對(duì)接，文獻(xiàn)[69]中以試驗(yàn)驗(yàn)證和原理構(gòu)想為區(qū)分，對(duì)多個(gè)國(guó)家的項(xiàng)目進(jìn)行了總體論述，對(duì)對(duì)接系統(tǒng)、控制模型、姿態(tài)檢測(cè)3大技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)分析。電磁技術(shù)的理論研究依賴于電磁力/力矩模型，麥克斯韋方程組功不可沒(méi)，其可以描述和求解電磁場(chǎng)，但因?yàn)槌跏紬l件和邊界約束的復(fù)雜性，現(xiàn)實(shí)工程應(yīng)用中很難直接求解，將相互作用的兩個(gè)載流單線圈簡(jiǎn)化為偶極子模型，利用安培力公式及坐標(biāo)變換可以求出精確解，但精確解中包含著不能求解的積分，再利用泰勒近似展開后，就可以得到能計(jì)算的解析解，但是其具有一定誤差，使用時(shí)也具有局限性，且當(dāng)電磁裝置的設(shè)計(jì)復(fù)雜性提高后，利用公式很難求解。電磁力具有非線性特點(diǎn)，在電磁對(duì)接及編隊(duì)飛行中，有非線性的線性化處理、自適應(yīng)控制率、滑?？刂?、魯棒控制等非線性控制方法，但是尋求工程中可行的、穩(wěn)定的、誤差偏離小的控制方法和策略仍然具有難度。在目前許多研究項(xiàng)目已經(jīng)驗(yàn)證了電磁技術(shù)在小型航天器應(yīng)用的可行性，但是電磁技術(shù)在遠(yuǎn)距離引導(dǎo)大型航天器對(duì)接時(shí)表現(xiàn)出能力不足、技術(shù)有限的弊端，多通過(guò)使用超導(dǎo)線圈或增加鐵芯的方法增強(qiáng)電磁力，但在低溫條件下，超導(dǎo)材料才能表現(xiàn)出良好的超導(dǎo)性，故需要設(shè)計(jì)專門的冷卻系統(tǒng)配合其使用，這就增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，另外，增加鐵芯的方法會(huì)使系統(tǒng)質(zhì)量上升，這些問(wèn)題都需通過(guò)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行解決。使用電磁技術(shù)必然會(huì)給其他電器元件帶來(lái)電磁污染、磁場(chǎng)干擾等問(wèn)題。因此，優(yōu)化電磁力/力矩模型、探索超導(dǎo)材料、擴(kuò)大電磁技術(shù)的使用范圍、進(jìn)行電磁防護(hù)規(guī)避電磁干擾等是電磁式空間交會(huì)對(duì)接機(jī)構(gòu)發(fā)展過(guò)程中的核心技術(shù)。

6 結(jié)語(yǔ)

空間交會(huì)對(duì)接是6自由度協(xié)調(diào)控制技術(shù)，由于50多年航天事業(yè)的不斷發(fā)展與創(chuàng)新，其已經(jīng)跨過(guò)了設(shè)計(jì)研究門檻，發(fā)展到了技術(shù)成熟階段。通過(guò)對(duì)比國(guó)內(nèi)外空間交會(huì)對(duì)接機(jī)構(gòu)的發(fā)展歷程可知，不論是針對(duì)大型航天器還是小型航天器或是ORU，以美國(guó)為首的德日英加等國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家都進(jìn)行了設(shè)計(jì)與研制，許多結(jié)構(gòu)都已經(jīng)完成了地面試驗(yàn)和在軌驗(yàn)證，而我國(guó)現(xiàn)有的航天器如神舟系列飛船等對(duì)接機(jī)構(gòu)都是采用異體同構(gòu)周邊式，雖然一些高校和科研院所在錐桿式、三爪式等對(duì)接機(jī)構(gòu)方面進(jìn)行了理論研究和樣機(jī)測(cè)試，但是在軌成功應(yīng)用實(shí)例未見文獻(xiàn)記載。本文總結(jié)了空間交會(huì)對(duì)接機(jī)構(gòu)的技術(shù)成果，重點(diǎn)結(jié)合我國(guó)的研究現(xiàn)狀，提出了空間交會(huì)對(duì)接技術(shù)的發(fā)展方向，為未來(lái)空間交會(huì)對(duì)接機(jī)構(gòu)的研制提供了參考。