用于空間站組建的平面式轉(zhuǎn)位方案設計

劉 艷， 沈曉鵬， 周 杰， 苑會領， 王治易， 羅 斌， 張崇峰

（1.上海宇航系統(tǒng)工程研究所， 上海 201109； 2.上海航天技術研究院， 上海 201109）

1 引言

由于火箭運載能力及尺寸包絡的限制，多模塊空間站組建通常采用艙段在軌組裝建造而成。根據(jù)組建工具的不同，多模塊空間站的組建有轉(zhuǎn)位組建和機械臂組建2 種方案。

轉(zhuǎn)位組建適用于“十”字構(gòu)型空間站的建造，俄羅斯和平號空間站采用此種組建方案。 和平號空間站具有6 個對接口，5 個口集中在對接艙段上。 對接艙段結(jié)構(gòu)密度很高，可以實現(xiàn)軸向和側(cè)向?qū)印?所有與和平號組裝的艙段必須首先與對接艙段實現(xiàn)軸向?qū)?，然后通過轉(zhuǎn)位機構(gòu)移動到側(cè)向?qū)涌趯崿F(xiàn)對接［1-2］。

機械臂操作組建方案是利用空間機械臂直接捕獲、抓取艙體到側(cè)向?qū)涌?，然后進行對接。 實際上是先實現(xiàn)空間交會，將需要對接的航天器停泊在空間站附近的預定位置（與空間站相對距離不變，相對速度為零），然后由空間站移動運輸服務中心的機械臂伸出去抓獲，通過操作機械臂，緩慢縮短兩者之間的相對距離，直至兩者的對接機構(gòu)捕獲成功。 國際空間站采用此種組建方案［3］。

中國空間站基本的“T”字構(gòu)型與和平號“十”字構(gòu)型類似，因此也采用轉(zhuǎn)位組建方案。 但是俄羅斯和平號空間站采用的是翻轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)位機構(gòu)組裝方案，這一方案在艙體轉(zhuǎn)位到位后，艙體姿態(tài)會發(fā)生90°的翻轉(zhuǎn)。

為了解決艙體轉(zhuǎn)位前后姿態(tài)翻轉(zhuǎn)問題，本文創(chuàng)新性地提出了平面式轉(zhuǎn)位方案，即實驗艙在同一平面內(nèi)進行轉(zhuǎn)位，由于質(zhì)心的運動軌跡也處在一個平面，轉(zhuǎn)位動作對空間站組合體的姿態(tài)擾動較小，更易于空間站的姿態(tài)控制。 本文研究用于中國空間站組裝建造的平面式轉(zhuǎn)位機構(gòu)的設計方案，內(nèi)容包括任務與功能分析、構(gòu)型與布局設計、機構(gòu)原理、工作過程等。 同時將平面式轉(zhuǎn)位方案與機械臂和翻轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)位方案進行對比，以驗證中國空間站的組裝建造路徑的可靠性。

2 任務與功能分析

2.1 任務分析

中國空間站由核心艙、實驗艙Ⅰ和實驗艙Ⅱ3個模塊組成，同時配套載人飛船和貨運飛船作為乘員和物品運輸?shù)闹С窒到y(tǒng)［4-5］，圖1 為空間站組合體構(gòu)型示意圖。

圖1 中國空間站組合體構(gòu)型Fig.1 Schematic diagram of China Space Station assembly

根據(jù)中國空間站系統(tǒng)規(guī)劃，空間站核心艙的節(jié)點艙基體為一球形，如圖2 所示。 在球形基體上幾何對稱布置6 個擴展口，其中1 個擴展口延伸連接核心艙主艙體，Ⅰ象限徑向?qū)涌?、Ⅱ／Ⅳ象限?cè)向?qū)涌诤颓岸溯S向?qū)涌诎惭b有被動對接機構(gòu)，Ⅲ象限為出艙口，其中Ⅱ、Ⅳ象限2 個側(cè)向?qū)涌谟糜? 個實驗艙轉(zhuǎn)位后的停泊口。 來訪航天器前端安裝有主動對接機構(gòu)，用以實現(xiàn)和空間站節(jié)點艙的軸向?qū)印?/p>

圖2 節(jié)點艙構(gòu)型Fig.2 Schematic diagram of node module configuration

空間站平面式轉(zhuǎn)位機構(gòu)任務要求能夠?qū)嶒炁摙窈蛯嶒炁摙驈妮S向?qū)涌谵D(zhuǎn)位至相應的側(cè)向?qū)涌?，同時艙體象限在轉(zhuǎn)位前后保持不變，稱為平面轉(zhuǎn)位［6］。 艙體象限保持不變是指正常飛行姿態(tài)下，在轉(zhuǎn)位前后實驗艙對地象限保持不變。如圖3 所示，以核心艙Ⅰ象限對地為正常飛行姿態(tài)，在轉(zhuǎn)位前后實驗艙均是Ⅰ象限對地。 而和平號空間站翻轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)位則會在轉(zhuǎn)位后對地象限變?yōu)閷嶒炁摙蚧颌粝笙蕖?/p>

圖3 平面式轉(zhuǎn)位Fig.3 The diagram of plane-transfer scheme

核心艙配置轉(zhuǎn)位機構(gòu)被動端稱為基座，實驗艙配合轉(zhuǎn)位機構(gòu)主動端稱為轉(zhuǎn)臂［7］。 利用平面式轉(zhuǎn)位機構(gòu)進行空間站實驗艙Ⅰ和實驗艙Ⅱ的組建，過程如下：

1）實驗艙Ⅰ與核心艙的節(jié)點艙建立軸向?qū)樱?/p>

2）轉(zhuǎn)位機構(gòu)在實驗艙Ⅰ與節(jié)點艙之間建立剛性連接；

3）實驗艙Ⅰ與節(jié)點艙解除軸向?qū)樱?/p>

4）轉(zhuǎn)位機構(gòu)將實驗艙Ⅰ轉(zhuǎn)位至節(jié)點艙側(cè)向?qū)涌冢?/p>

5）轉(zhuǎn)位機構(gòu)狀態(tài)保持，實驗艙Ⅰ與節(jié)點艙建立側(cè)向?qū)樱?/p>

6）轉(zhuǎn)位機構(gòu)解除實驗艙Ⅰ與節(jié)點艙之間的剛性連接。

實驗艙Ⅱ的組裝過程與實驗艙Ⅰ相同，轉(zhuǎn)位至另一側(cè)向?qū)涌凇?具體過程如圖4 所示。

圖4 利用平面式轉(zhuǎn)位機構(gòu)進行空間站實驗艙組建過程Fig.4 The construction process of the China Space Station module by the plane-transfer mechanism

2.2 功能分析

根據(jù)任務要求，轉(zhuǎn)位機構(gòu)功能分解如圖5 所示：①在將實驗艙從軸向轉(zhuǎn)位到側(cè)向的動作之前，轉(zhuǎn)位機構(gòu)轉(zhuǎn)臂與基座之間需要進行捕獲和連接；②在轉(zhuǎn)臂和基座建立了可靠的剛性連接之后，將實驗艙從軸向?qū)涌谵D(zhuǎn)位到側(cè)向?qū)涌?；③在?cè)向?qū)涌?，為了克服對接機構(gòu)側(cè)向捕獲過程中的作用力，轉(zhuǎn)位機構(gòu)需要具有位置保持功能，以支持對接機構(gòu)實現(xiàn)側(cè)向捕獲；④在對接機構(gòu)側(cè)向?qū)硬东@完成后，轉(zhuǎn)位機構(gòu)主被動端之間應具有解鎖、分離功能，解除實驗艙與節(jié)點艙之間的約束后對接機構(gòu)實現(xiàn)側(cè)向剛性連接。

圖5 轉(zhuǎn)位機構(gòu)功能分解Fig.5 Functional decomposition of transfer mechanism

3 平面式轉(zhuǎn)位機構(gòu)方案設計

3.1 轉(zhuǎn)位過程自由度設計

平面式轉(zhuǎn)位機構(gòu)在實驗艙與節(jié)點艙之間建立剛性連接后，將實驗艙從軸向到側(cè)向的轉(zhuǎn)位過程中，根據(jù)轉(zhuǎn)位機構(gòu)運動自由度的不同，會有多種轉(zhuǎn)位路徑。 在確定平面式轉(zhuǎn)位機構(gòu)系統(tǒng)方案時，以簡單可靠、機構(gòu)自由度最少的平面式轉(zhuǎn)位為原則進行轉(zhuǎn)位功能的路徑設計。 本文對實驗艙從軸向平面式轉(zhuǎn)位到側(cè)向所需的最少運動自由度進行分析。

3.1.1 關節(jié)旋轉(zhuǎn)運動自由度

定義安裝在實驗艙上的轉(zhuǎn)臂關節(jié)為肩關節(jié)，另一端轉(zhuǎn)臂關節(jié)為腕關節(jié)。 轉(zhuǎn)臂連接基座后，轉(zhuǎn)臂軸線與實驗艙軸線夾角為α，稱為連接角。 從實驗艙轉(zhuǎn)位前后的位置可知，肩關節(jié)需要繞實驗艙轉(zhuǎn)動角度為2α。 轉(zhuǎn)位過程中腕關節(jié)轉(zhuǎn)動角度為β，稱為轉(zhuǎn)位角，如圖6 所示。

圖6 艙體轉(zhuǎn)位角Fig.6 Angle of space station module rotation

由幾何關系可知，β＝2α＋90°，即將實驗艙由軸向口轉(zhuǎn)至側(cè)向口，肩關節(jié)需要轉(zhuǎn)動2α，實現(xiàn)實驗艙的翻轉(zhuǎn)；腕關節(jié)需要轉(zhuǎn)動2α＋90°，實現(xiàn)實驗艙的擺動。 根據(jù)實驗艙、節(jié)點艙及對接機構(gòu)尺寸，連接角和轉(zhuǎn)位角根據(jù)轉(zhuǎn)位機構(gòu)在艙體上的安裝布局尺寸具體確定。

為了分別實現(xiàn)空間站實驗艙Ⅰ和實驗艙Ⅱ的組建，配置方案如下：

在節(jié)點艙上布置2 套轉(zhuǎn)位機構(gòu)基座，基座軸線位于節(jié)點艙軸向口軸線與側(cè)向口軸線的平分線上，與軸向口軸線夾角為45°，如圖7 所示。

圖7 節(jié)點艙上2 個基座安裝位置示意圖Fig.7 Schematic installation of two sockets on the node module

轉(zhuǎn)臂安裝于實驗艙上，轉(zhuǎn)臂軸線與基座軸線處于同一平面內(nèi)，安裝高度一致，如圖8 所示。

在空間站組建過程中，初始應預先設定實驗艙上轉(zhuǎn)位機構(gòu)轉(zhuǎn)臂與節(jié)點艙上轉(zhuǎn)位機構(gòu)基座的對應位置，從而能夠由軸向?qū)涌谙蝾A定的側(cè)向?qū)涌谵D(zhuǎn)位。

根據(jù)工程任務規(guī)劃，實驗艙Ⅰ在完成軸向?qū)雍?，由轉(zhuǎn)位機構(gòu)轉(zhuǎn)位至節(jié)點艙Ⅳ象限停泊口，實驗艙Ⅱ在完成軸向?qū)雍?，由轉(zhuǎn)位機構(gòu)轉(zhuǎn)位至節(jié)點艙Ⅱ象限停泊口。

對應不同的實驗艙停泊口，轉(zhuǎn)位機構(gòu)的轉(zhuǎn)位旋轉(zhuǎn)方向不同，圖9 和圖10 分別為實驗艙Ⅰ和實驗艙Ⅱ轉(zhuǎn)位過程中肩關節(jié)和腕關節(jié)的旋轉(zhuǎn)方向。

3.1.2 軸向運動自由度

對接機構(gòu)對接框上裝有導向板、導向銷、導向套、分離推桿和鎖系，導向板為空間交錯分布，導向銷與分離推桿在圓周上非均布，如圖11 所示［8］。 轉(zhuǎn)位機構(gòu)如果在主被動對接機構(gòu)拉緊時實現(xiàn)捕獲連接，并在此狀態(tài)下將艙體直接擺動到側(cè)向?qū)⒈厝怀霈F(xiàn)結(jié)構(gòu)干涉，需要使實驗艙與節(jié)點艙兩對接機構(gòu)端面分開一定距離。 鑒于對接機構(gòu)具有對接環(huán)推出拉回功能［9］，在轉(zhuǎn)位前該推出運動自由度可由主動對接機構(gòu)將對接環(huán)推出實現(xiàn)，因此不需要轉(zhuǎn)位機構(gòu)設計相應的運動自由度。

圖10 實驗艙II 轉(zhuǎn)位時關節(jié)旋轉(zhuǎn)方向Fig.10 Direction of joint rotation when Experiment Module II is rotated

3.2 機構(gòu)構(gòu)型設計

圖11 導向板及銷（套）干涉檢查Fig.11 Guide plate and pin（sets） interference check

轉(zhuǎn)位機構(gòu)由主動端和被動端配合實現(xiàn)轉(zhuǎn)位功能，主動端是指主動驅(qū)動實施轉(zhuǎn)位機構(gòu)間捕獲、連接和解鎖功能的轉(zhuǎn)臂部分；被動端是指配合主動端完成轉(zhuǎn)位機構(gòu)間捕獲、連接和解鎖功能的基座部分。

主動端轉(zhuǎn)臂和被動端基座在節(jié)點艙和實驗艙上的安裝方式分為2 種：①轉(zhuǎn)臂裝在實驗艙上，基座裝在節(jié)點艙上；②基座裝在實驗艙上，轉(zhuǎn)臂裝在節(jié)點艙上。 主被動端這2 種不同的構(gòu)型方式導致機構(gòu)功能實現(xiàn)方案以及可靠性水平的不同。 本文分3 種不同方案進行分析比較，在方案對比中機構(gòu)自由度是指作用于艙體轉(zhuǎn)動所需最小自由度。由于連接、解鎖、位置保持功能的實現(xiàn)不受機構(gòu)構(gòu)型的影響，因此不針對此3 項功能進行對比分析。

1）方案A。 主動端轉(zhuǎn)臂安裝在實驗艙上，被動端基座安裝在節(jié)點艙上，如圖12（a）所示。 捕獲、分離的旋轉(zhuǎn)運動和實驗艙翻轉(zhuǎn)運動由主動端轉(zhuǎn)臂實現(xiàn)。 實驗艙擺動旋轉(zhuǎn)運動由主動端轉(zhuǎn)臂實現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)軸為基座的旋轉(zhuǎn)中心。 轉(zhuǎn)位機構(gòu)為2 自由度機構(gòu)。

圖12 機構(gòu)構(gòu)型分析Fig.12 Analysis of the mechanism configuration

2）方案B。 主動端轉(zhuǎn)臂安裝在節(jié)點艙上，被動端基座安裝在實驗艙上，如圖12（b）所示。 捕獲、分離的旋轉(zhuǎn)運動和實驗艙翻轉(zhuǎn)運動由主動端轉(zhuǎn)臂實現(xiàn)。 實驗艙擺動旋轉(zhuǎn)運動由主動端轉(zhuǎn)臂實現(xiàn)。 轉(zhuǎn)位機構(gòu)為2 自由度機構(gòu)。

3）方案C。 主動端轉(zhuǎn)臂安裝在節(jié)點艙上，被動端基座安裝在實驗艙上，如圖12（c）所示。 捕獲、分離的旋轉(zhuǎn)運動由主動端轉(zhuǎn)臂實現(xiàn)。 實驗艙翻轉(zhuǎn)運動由被動端基座實現(xiàn)，實驗艙擺動旋轉(zhuǎn)運動由主動端轉(zhuǎn)臂實現(xiàn)。 轉(zhuǎn)位機構(gòu)為3 自由度機構(gòu)。

從以下方面進行不同構(gòu)型對比：①轉(zhuǎn)臂功能；②基座結(jié)構(gòu)復雜程度；③機構(gòu)在軌運動時間及可靠性要求；④完成空間站系統(tǒng)組建各個艙體上所需的轉(zhuǎn)位機構(gòu)配套。 如表1 所示。

表1 構(gòu)型分析表Table 1 Configuration analysis table

綜合分析，由于平面式轉(zhuǎn)位方案一套轉(zhuǎn)位機構(gòu)僅能對應一個側(cè)向?qū)涌?，因此系統(tǒng)總體配置均是2 套轉(zhuǎn)臂＋2 套基座。 但是若2 套轉(zhuǎn)臂均布置在節(jié)點艙上，將占用節(jié)點艙較大空間。 在各系統(tǒng)配套質(zhì)量可以接受的情況下，第一種構(gòu)型配置方案，即方案A 為最優(yōu)的構(gòu)型方案，轉(zhuǎn)臂安裝在實驗艙上，基座安裝在節(jié)點艙上。 該方案系統(tǒng)自由度最少，并且在提前入軌的節(jié)點艙上配置的是僅用于結(jié)構(gòu)承載的基座，系統(tǒng)可靠性高。

3.3 布局及原理設計

平面式轉(zhuǎn)位機構(gòu)具體組成及機械原理如圖13 所示。 其機械系統(tǒng)由轉(zhuǎn)臂、基座兩部分組成，轉(zhuǎn)臂安裝在實驗艙上，基座安裝在節(jié)點艙上。 轉(zhuǎn)臂由肩關節(jié)驅(qū)動機構(gòu)、腕關節(jié)驅(qū)動機構(gòu)和捕獲連接機構(gòu)組成，其中捕獲連接機構(gòu)中的萬向擺動組件頭部的捕獲錐頭與基座鎖鉤配合實現(xiàn)捕獲連接功能。 肩關節(jié)和腕關節(jié)驅(qū)動機構(gòu)用于驅(qū)動實驗艙2 自由度的旋轉(zhuǎn)，同時在肩關節(jié)與腕關節(jié)中安裝有電磁制動器，在轉(zhuǎn)位到位后鎖定電磁制動器，確保在側(cè)向?qū)舆^程中，轉(zhuǎn)位機構(gòu)關節(jié)處于鎖定狀態(tài)。 基座與轉(zhuǎn)臂配合完成動作。

圖13 轉(zhuǎn)位機構(gòu)布局及原理圖Fig.13 Layout and schematic diagram of transfer mechanism

3.4 優(yōu)點及局限性分析

與機械臂轉(zhuǎn)位相比，利用平面式轉(zhuǎn)位機構(gòu)進行實驗艙轉(zhuǎn)位過程中，對航天器的位置和姿控精度要求沒有使用機械臂進行側(cè)向?qū)訒r高；同時轉(zhuǎn)位機構(gòu)臂體長度小，自由度少，結(jié)構(gòu)簡單，能夠安全可靠地完成艙體從軸向到側(cè)向?qū)涌诘霓D(zhuǎn)位任務。 但是轉(zhuǎn)位機構(gòu)在完成轉(zhuǎn)位任務的同時，也具有一定的局限性，轉(zhuǎn)位機構(gòu)功能單一，僅用于艙體軸向與側(cè)向之間的轉(zhuǎn)位，而不具有操作各種試驗載荷的功能。

與翻轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)位機構(gòu)對比，平面式轉(zhuǎn)位機構(gòu)在轉(zhuǎn)位前后艙體對地象限不會發(fā)生變化，翻轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)位機構(gòu)在轉(zhuǎn)位前后艙體對地象限會發(fā)生90°的翻轉(zhuǎn)，在實驗艙內(nèi)設備不允許進行翻轉(zhuǎn)的情況下需要使用平面式轉(zhuǎn)位方案。 但是節(jié)點艙上一套翻轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)位機構(gòu)基座可以實現(xiàn)軸向?qū)涌谂c相鄰2 個側(cè)向?qū)涌诘霓D(zhuǎn)位任務，而節(jié)點艙上一套平面式轉(zhuǎn)位機構(gòu)基座僅能實現(xiàn)軸向?qū)涌谂c相鄰一個側(cè)向?qū)涌谥g的轉(zhuǎn)位任務。

4 工作過程設計

實驗艙轉(zhuǎn)位組裝過程需要轉(zhuǎn)位機構(gòu)與對接機構(gòu)交互工作配合實現(xiàn)。 實驗艙與節(jié)點艙軸向?qū)涌谕ㄟ^周邊式對接機構(gòu)實現(xiàn)鎖緊、密封并完成貨物轉(zhuǎn)運后，實驗艙準備進行轉(zhuǎn)位任務。

轉(zhuǎn)位過程如圖14（a）～（f）所示。

圖14 平面式轉(zhuǎn)位組建方案轉(zhuǎn)位工作過程Fig.14 The working process of plane-transfer scheme

1）在轉(zhuǎn)臂與基座捕獲前，使對接機構(gòu)捕獲鎖鎖緊、對接鎖解鎖。 對接環(huán)推出至準備轉(zhuǎn)位位置，即推出至避免干涉的位置，進行轉(zhuǎn)臂和基座的捕獲。 此時節(jié)點艙與實驗艙之間通過對接機構(gòu)捕獲鎖鎖緊來保持連接狀態(tài)。 轉(zhuǎn)臂與基座的捕獲初始條件主要由對接機構(gòu)對接環(huán)推出偏差決定，而不依賴于兩飛行器之間的位置姿態(tài)控制精度，因此在轉(zhuǎn)臂與基座的捕獲能力覆蓋捕獲偏差范圍的條件下能夠保證轉(zhuǎn)臂和基座的可靠捕獲。

2）轉(zhuǎn)位機構(gòu)轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)捕獲基座并剛性連接。

3）對接機構(gòu)捕獲鎖解鎖，對接環(huán)拉回，以解除實驗艙與節(jié)點艙之間對接機構(gòu)的約束。 轉(zhuǎn)位機構(gòu)驅(qū)動實驗艙完成規(guī)劃的腕關節(jié)旋轉(zhuǎn)45°。

4）肩／腕關節(jié)同時旋轉(zhuǎn)117°。

5）腕關節(jié)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)45°的轉(zhuǎn)位路徑后，實驗艙到達側(cè)向?qū)涌凇?到位精度優(yōu)于2°，關節(jié)各轉(zhuǎn)動角度根據(jù)幾何布局以及避免運動過程的干涉為原則確定。 在側(cè)向?qū)涌冢ㄟ^轉(zhuǎn)位機構(gòu)轉(zhuǎn)臂與基座之間的剛性連接來保證節(jié)點艙與實驗艙之間的相對位置，使對接機構(gòu)可靠捕獲。 在此過程中轉(zhuǎn)位機構(gòu)需提供對接機構(gòu)對接環(huán)推出捕獲鎖捕獲過程的支反力。

6）對接機構(gòu)側(cè)向捕獲完成后，轉(zhuǎn)位機構(gòu)轉(zhuǎn)臂與基座間解鎖復位，對接機構(gòu)對接環(huán)拉回，對接鎖鎖緊完成剛性連接密封。

上述轉(zhuǎn)位過程對接機構(gòu)與轉(zhuǎn)位機構(gòu)的協(xié)同交互配合關系如圖15 所示，圖中虛線框內(nèi)為周邊式對接結(jié)構(gòu)動作。

圖15 對接與轉(zhuǎn)位機構(gòu)協(xié)同配合關系Fig.15 Coordination relationship between docking and transfer mechanisms

5 結(jié)論

本文針對中國空間站系統(tǒng)規(guī)劃，進行了平面式轉(zhuǎn)位方案的設計，為空間站工程提供參考，具體如下：

1）基于中國空間站構(gòu)型，進行了平面式轉(zhuǎn)位機構(gòu)任務和功能分析。

2）對平面式轉(zhuǎn)位機構(gòu)的機構(gòu)自由度、機構(gòu)原理及布局進行設計，從而確定了轉(zhuǎn)位機構(gòu)的系統(tǒng)方案，同時對比了平面式轉(zhuǎn)位機構(gòu)與機械臂、翻轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)位機構(gòu)之間的差異。

3）結(jié)合周邊式對接機構(gòu)的工作過程，給出了對接與轉(zhuǎn)位機構(gòu)協(xié)同工作的工作過程和工作時序。