空間電磁對接技術(shù)應(yīng)用論述

馬 帥，王海峰，周 磊，朱子環(huán)

(北京航天試驗技術(shù)研究所，北京 100074)

0 引言

航天器之間交會對接的可靠性是載人航天任務(wù)成功執(zhí)行的重要基礎(chǔ)，傳統(tǒng)航天器依靠發(fā)動機推力實現(xiàn)空間交會對接，在太空中，使用推進劑會帶來羽流污染，損害鄰近的光學(xué)儀器、敏感器件，且較難控制與監(jiān)測對接接觸力，因此，在此背景下電磁對接技術(shù)應(yīng)運而生。電磁對接技術(shù)通過鐵芯和線圈產(chǎn)生電磁力，由于電磁技術(shù)不存在太空污染且能實現(xiàn)柔性弱撞擊對接模式，近年來多次被應(yīng)用到航天器空間交會對接技術(shù)領(lǐng)域，美國、英國、意大利等國家進行了設(shè)計與驗證，我國國防科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等單位也進行了探索。

本文重點概述了電磁式對接機構(gòu)的技術(shù)進展和研究成果，展望了未來空間交會對接機構(gòu)研制的探索方向，以期為我國電磁式空間交會對接機構(gòu)的設(shè)計與研究提供指導(dǎo)與參考。

1 美國在空間電磁對接技術(shù)方面的研究與應(yīng)用

美國約翰遜航天中心工程局開發(fā)了一種用于觀測航天器太空活動的微型自主艙外相機(Mini-AER Cam)[1,2]，如圖1所示。Mini-AER Cam接口含有永磁體，被動單元接口是纏繞線圈的電磁鐵，兩者通過電磁力實現(xiàn)接近捕獲，在對接末端時，通過電機、齒輪等傳動，利用球形鎖實現(xiàn)對接鎖緊[3]。

近年來，越來越多的研究方向聚焦于美國提出的航天器編隊飛行。如圖2所示，麻省理工學(xué)院設(shè)計了由3個線圈組成的電磁系統(tǒng)[4]，基于解析法，推導(dǎo)了遠、近、中場電磁力公式。

在SPERES項目中，美國馬里蘭大學(xué)聯(lián)合麻省理工學(xué)院等設(shè)計了為衛(wèi)星編隊飛行提供動力的環(huán)形線圈[5]，并在國際空間站進行了測試。衛(wèi)星之間通過通用對接端口(UDP)[6]進行捕獲與分離，UDP對接面上含有1個導(dǎo)向桿、1個鎖緊孔、2個傳電銅片，對接面后設(shè)有電磁鐵[7]，UDP通過導(dǎo)向桿和鎖緊孔的相對轉(zhuǎn)動實現(xiàn)鎖緊[8]。UDP對接機構(gòu)及工作原理如圖3所示。

圖1 Mini-AER Cam及接口構(gòu)成

圖2 編隊飛行的線圈電磁系統(tǒng)

2 英國在空間電磁對接技術(shù)方面的研究與應(yīng)用

為了實現(xiàn)將多個不同單機功能模塊組裝成航天器聯(lián)合系統(tǒng)，英國薩里大學(xué)提出了小型智能自供電模塊(ISMs)構(gòu)想[9]，ISMs上裝有電磁平面對接系統(tǒng)(EFDS)和太陽能板，如圖4所示。ISMs位姿確定系統(tǒng)先進，姿態(tài)算法有效距離為30 m，位置算法有效距離為50 m[10]，EFDS捕獲范圍可達10 m。

為了降低太空望遠鏡的發(fā)射及維修成本，英國薩里大學(xué)聯(lián)合美國加州理工學(xué)院基于ISMs開展了AAReST研究任務(wù)[11]，太空望遠鏡主要由3U附衛(wèi)星和15U主衛(wèi)星重構(gòu)，發(fā)射時所有載荷固定在15U主衛(wèi)星上，入軌后根據(jù)任務(wù)需求載荷重組，其對接系統(tǒng)是多根纏繞線圈的螺線管，通過電流方向控制衛(wèi)星連接與分離，螺線管前端為錐形導(dǎo)向機構(gòu)[12]，如圖5所示。

圖3 UDP對接機構(gòu)及工作原理

圖4 ISMs及其電磁組裝

圖5 重構(gòu)前的太空望遠鏡及其電磁對接系統(tǒng)

3 意大利在空間電磁對接技術(shù)方面的研究與應(yīng)用

為了實現(xiàn)模塊單元在軌的組裝與分解，意大利帕多瓦大學(xué)設(shè)計了可以自主交會控制的對接機構(gòu)(ARCADE)[13]。ARCADE為錐桿對接形式，被動單元由接納錐、電磁閥、電磁鐵等組成，主動單元由導(dǎo)向錐、阻尼器、磁尖等組成[14]。主、被動單元通過磁尖和電磁鐵進行捕獲，由導(dǎo)向錐與接納錐進行導(dǎo)向，通過電磁閥進行鎖緊。ARCADE對接機構(gòu)如圖6所示。

圖6 ARCADE對接機構(gòu)

4 中國在空間電磁對接技術(shù)方面的研究與應(yīng)用

國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)設(shè)計了由5個線圈組成的圓周線圈式電磁對接裝置，如圖7(a)所示，經(jīng)仿真對比，該布置方案可以有效增強系統(tǒng)電磁力[15]。結(jié)合錐桿式機構(gòu)的優(yōu)點，又設(shè)計了含4個線圈的自穩(wěn)定柔性電磁對接機構(gòu)[16]，如圖7(b)所示。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制了微納衛(wèi)星電磁對接機構(gòu)[17]，該機構(gòu)由鋁制框架、電磁裝置組成，其中電磁裝置由12個線圈和24塊永磁體構(gòu)成，且在地面成功地進行了分離和轉(zhuǎn)位工況模擬，如圖8所示。

圖7 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)設(shè)計的電磁對接機構(gòu)

圖8 微納衛(wèi)星電磁對接機構(gòu)

中北大學(xué)對電磁對接裝置進行了詳細(xì)設(shè)計，但并未開展試驗研究。其設(shè)計的空間合作柔性電磁式對接機構(gòu)[18]通過電磁鐵的拋射和收回實現(xiàn)拉近對接，如圖9所示。此外，還對利用電磁鐵實現(xiàn)機構(gòu)對接接口自吸和姿態(tài)調(diào)整的狀態(tài)進行了仿真研究[19]。

1-電機;2-電機支架;3-聯(lián)軸器;4-卷揚機組件;5-基座;6-外殼;7-鎖緊機構(gòu)組件;8-電磁鐵組件;9-發(fā)射機構(gòu);10-柔性索及電線;11-吸附塊;12-頂桿;13-頂桿外筒;14-彈簀;15-底座圖9 空間合作柔性電磁式對接機構(gòu)

5 結(jié)論與建議

電磁對接技術(shù)避免了使用推力器存在的控制較難、污染等問題，通過利用滑模控制等算法實現(xiàn)兩航天器弱撞擊對接，有效地保證了結(jié)構(gòu)和儀器的正常工作，因此，將電磁技術(shù)運用到航天器對接過程是未來空間交會對接技術(shù)的發(fā)展方向。本文通過對比國內(nèi)外電磁對接技術(shù)的研究與應(yīng)用，得出以下結(jié)論：

(1) 我國的電磁對接技術(shù)發(fā)展處于起步階段，雖然有單位進行研制與試驗，但是并未有在軌成功案例。未來航天單位與相關(guān)高校應(yīng)進行緊密合作，通過吸收轉(zhuǎn)化國外在軌應(yīng)用的成功技術(shù)，推進我國航天事業(yè)的發(fā)展。

(2) 目前電磁對接技術(shù)主要應(yīng)用于小型航天器中，在大型航天器的使用上還存在著驅(qū)動力不足的局限性。因此，提升電磁控制、實現(xiàn)高溫超導(dǎo)等核心技術(shù)的突破，是電磁對接技術(shù)廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)之一。

(3) 電磁技術(shù)會引入電磁污染、磁場干擾等問題，影響航天器中部分器件正常工作，故進行電磁防護、規(guī)避電磁干擾等是電磁式空間交會對接機構(gòu)發(fā)展過程中的關(guān)鍵研究方向之一。