空間站夢天載荷適配器設(shè)計與連接精度驗(yàn)證

盧 彪，龔寧靜，楊新海，2，王治易，2，卓 新，馮文博，謝 哲，劉永強(qiáng)，丁亮亮

（1.上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109；2.中國航天科技集團(tuán)有限公司 空間結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，上海 201100）

0 引言

空間站試驗(yàn)載荷承擔(dān)空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)、空間應(yīng)用和空間技術(shù)試驗(yàn)的任務(wù)，試驗(yàn)需要艙外平臺提供必需的試驗(yàn)資源，如安裝固定、電源、數(shù)據(jù)傳輸/控制等。載荷適配器是將艙內(nèi)資源提供給艙外試驗(yàn)載荷的標(biāo)準(zhǔn)接口設(shè)備，含主動端和被動端2 部分，是一種輕小型對接機(jī)構(gòu)［1］。將載荷適配器的被動端裝在空間站艙體外部，主動端安裝在艙外載荷上［2］，具備捕獲、連接、解鎖和分離的能力。

世界各航天強(qiáng)國對載荷適配器展開深入研究。美國艙外載荷適配器［2-6］（Flight Releasable Attachment Mechanism，F(xiàn)RAM）為純機(jī)械式載荷適配器，用于實(shí)現(xiàn)暴露平臺與載荷之間的機(jī)械和電連接。FRAM 被動端與暴露平臺通過螺栓連接，利用分布在兩側(cè)的圓錐銷和圓錐孔消除載荷適配器主被動端的初始姿態(tài)誤差，再通過定位銷和定位銷孔的配合實(shí)現(xiàn)主被動端的定位，最終絲杠傳動完成連接與鎖緊。俄羅斯可重構(gòu)通用工作站［7-8］艙外載荷適配器由主動端和被動端組成，主動端安裝在工作站上，被動端安裝在載荷上。主被動端通過方形的定位孔和方形定位銷的配合消除初始姿態(tài)誤差，由航天員手動實(shí)現(xiàn)載荷適配器的鎖緊與電連接器的連接。日本實(shí)驗(yàn)艙暴露設(shè)施使用的載荷適配器（Exposed Facility-equipment Exchange Unit，EEU）［9］通過3 個捕獲 鎖與V 形導(dǎo)向 槽配合消 除初始位姿誤差，然后利用銷孔配合實(shí)現(xiàn)精確定位，最后通過捕獲鎖抓獲V 形槽實(shí)現(xiàn)主被動端機(jī)械鎖緊和電連接器的連接。

2022 年，完成我國載人空間站建造，支持開展大規(guī)模、多學(xué)科和系列化的空間科學(xué)試驗(yàn)［10-11］?？臻g站問天實(shí)驗(yàn)艙和夢天天實(shí)驗(yàn)艙艙體外部配置了載荷適配器，被動端裝在空間站艙體外部，主動端安裝在艙外載荷上。

夢天實(shí)驗(yàn)艙載荷適配器采用桿-槽式連接鎖定方案，通過被動端3 處均布的鎖柄和主動端中心定位槽配合消除初始位姿誤差，主動端定位槽和被動端鎖柄連接過程中，同步實(shí)現(xiàn)機(jī)械鎖緊和電連接器的連接［12-15］。

空間站建成后將在軌運(yùn)營10 年以上，實(shí)驗(yàn)資源充足，對載荷適配器的需求急速增長。載荷試驗(yàn)周期較短，通過在軌更換，高效利用標(biāo)準(zhǔn)空間站平臺接口資源。載荷適配器需滿足以下功能要求：

1）具有在軌互換性，即主動端具備與不同的被動端捕獲、連接、解鎖和分離的能力，被動端具備與不同的主動端捕獲、連接、解鎖和分離的能力。

2）具有容差適應(yīng)性，即主被動端之間捕獲容差自動適應(yīng)能力，能夠適應(yīng)一定范圍內(nèi)的捕獲容差且捕獲可靠。

3）具備連接可靠性，即主被動端之間連接精度滿足電連接器的容差要求。

1 產(chǎn)品設(shè)計

1.1 應(yīng)用場景

載荷適配器被動端安裝在艙外平臺上，空載隨艙發(fā)射入軌。發(fā)射時，根據(jù)需求確定載荷適配器被動端裝艙的位置和數(shù)量。艙外試驗(yàn)載荷主要從載荷氣閘艙出艙，利用出艙機(jī)構(gòu)將載荷送出艙外，然后由機(jī)械臂捕獲并轉(zhuǎn)移至艙外平臺安裝。利用載荷適配器，實(shí)現(xiàn)載荷在出艙機(jī)構(gòu)上的安裝?？紤]到航天員出艙代價和風(fēng)險，試驗(yàn)載荷設(shè)備在艙外平臺上的在軌安裝、更換和回收等在軌照料工作主要以機(jī)械臂操作為主。因此，艙外試驗(yàn)載荷上需安裝載荷適配器主動端，試驗(yàn)載荷上行后，在軌由機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)對艙外載荷的轉(zhuǎn)移、安裝和更換。

1.2 設(shè)計思路

空間站夢天載荷適配器采用捕獲、校正、連接、鎖緊一體化設(shè)計思路，對機(jī)構(gòu)各功能進(jìn)行集成，提高結(jié)構(gòu)布局的緊湊性和連接分離的可靠性。

在功能實(shí)現(xiàn)方面，機(jī)械臂提供初始對接條件后，按照粗校正-精校正-斷接器插合并形成組合體的流程完成捕獲連接；分離時，按其逆過程，即斷開斷接器并解鎖、釋放的順序?qū)崿F(xiàn)分離，后續(xù)由機(jī)械臂負(fù)責(zé)，使得主、被動端相互撤離至安全位置。夢天載荷適配器設(shè)計思路如圖1 所示，主動端與被動端各部組件互相配合，實(shí)現(xiàn)連接分離、流路通斷及電信息通斷3 大功能。

圖1 夢天載荷適配器的設(shè)計思路Fig.1 Design idea for the Mengtian payload adapter

1.3 產(chǎn)品組成

空間站夢天載荷適配器由主動端和被動端2 部分組成，其中被動端安裝在夢天暴露平臺上，主動端安裝在試驗(yàn)載荷上，如圖2 所示，2 個部分為一體化設(shè)計。主、被動端上分別配置電路浮動接口及液路浮動接口。在機(jī)械臂輔助操作下，實(shí)現(xiàn)主動端（配備試驗(yàn)載荷）出艙轉(zhuǎn)移及初始定位；在適配器主動端捕獲鎖定裝置的作用下，完成對被動端的捕獲及鎖緊。在鎖緊過程中，主被動端完成相對位姿的精確校正，為配置于主被動端的浮動電連接器和液路斷接器頭/座插合提供初始條件，實(shí)現(xiàn)主動端供電、信息和液路的在軌過路聯(lián)通。

圖2 夢天載荷適配器的組成Fig.2 Configuration of the Mengtian payload adapter

除電機(jī)驅(qū)動外，航天員還可利用艙外通用工具和延伸桿通過手動接口驅(qū)動主動端轉(zhuǎn)杯運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)主、被動端之間的捕獲、校正、鎖緊、解鎖和分離。載荷適配器主、被動端結(jié)構(gòu)布局如圖3 所示。由圖3可知，主動端由捕獲鎖定裝置、浮動電連接器插頭、浮動液路連接器插頭及結(jié)構(gòu)框體組成，捕獲鎖定裝置包含3 處均布的定位槽。被動端由3 處均布的鎖柄、浮動電連接器插座、浮動液路連接器插座及結(jié)構(gòu)框體組成。

圖3 夢天載荷適配器的結(jié)構(gòu)布局Fig.3 Layout of the Mengtian payload adapter

2 互換性及連接精度設(shè)計

介紹天宮夢天載荷適配器主、被動端定位方式；通過幾何分析的方式，對120°分布的桿-槽式對接方式［15］進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，分析該定位方式互換性、定位精度等特性；通過Matlab 軟件，對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值分析，對該定位方式的定位精度展開量化分析。

2.1 桿-槽式定位

夢天載荷適配器依靠桿-槽定位原理進(jìn)行定位，定位原理如圖4 所示。該定位方式具備互換性好、連接精度高等優(yōu)點(diǎn)。其中位于被動端上3 處均布的鎖柄與位于主動端上3 處均布的定位槽配合定位，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)載荷適配器主、被動端的連接鎖定定位。為電路浮動斷接器及液路浮動斷接器頭座間插合提供初始條件。

圖4 主-被動端定位原理Fig.4 Positioning principle at the active-passive end

2.2 數(shù)學(xué)建模分析

適配器被動端原理如圖5 所示。由圖5 可知，坐標(biāo)系為Ob-XbYbZb，3 個鎖柄分別為ObAb、ObBb和ObCb。被動端裝配完成后，中心角αb、βb和γb為已知常量，而與主動端配合時實(shí)際作用點(diǎn)Ab、Bb和Cb在鎖柄ObAb、ObBb和ObCb上的具體位置，隨主動端U 行槽分布誤差而變化。

圖5 被動端原理Fig.5 Principle at the adapter passive end

被動端鎖柄在任意有效作用長度ra（AbOb）、rb（BbOb）、rc（CbOb）下，定位作用點(diǎn)Ab、Bb、Cb間距離表達(dá)式如下：

適配器主動端原理如圖6 所示。

圖6 主動端原理Fig.6 Principle of the adapter active end

其中坐標(biāo)系為Oa-XaYaZa，U 型槽位置與中心連線為OaAa、OaBa、OaCa。假設(shè)適配器主動端U型槽分布半徑為理論值R=66 mm，在給定中心角αa、βb、θc的情況下，各定位作用點(diǎn)Aa、Ba、Ca間距的表達(dá)式如下：

組合體原理如圖7 所示。

圖7 組合體原理Fig.7 Principle of the connection assembly

當(dāng)鎖柄ObAb、ObBb和ObCb分別 與主動端U 型槽點(diǎn)Aa、Ba和Ca點(diǎn)重合時，可證明適配器主、被動端能實(shí)現(xiàn)有效連接?？傻刃樽C明存在ra、rb、rc，下述3 個等式成立：

代入可得表達(dá)式如下：

適配器被動端鎖柄角度誤差范圍為±0.1°，主動端定位槽分布角度誤差范圍為±0.1°，因此適配器主、被動端互換性問題及連接精度問題可轉(zhuǎn)化為主、被動端中心角αa、βa、αb、βb在119.9°～120.1°范圍內(nèi)時，未知數(shù)為被動端鎖柄在任意有效作用長度ra（AbOb）、rb（BbOb）、rc（CbOb）的方程組是否存在正實(shí)數(shù)解及有效作用長度rb（BbOb）相對理論值的偏差大小問題。

2.3 數(shù)值計算

通過Matlab 軟件計算當(dāng)被動端各中心角αb、βb在范圍119.9°～120.1°內(nèi)取值，主動端各中心角αa、βa在范圍119.9°～120.1°內(nèi)取值時，未知數(shù)為被動端鎖柄在任意有效作用長度ra（AbOb）、rb（BbOb）、rc（CbOb）的方程組存在正實(shí)數(shù)解，范圍為65.76～66.24 mm。因此，證明組合體可實(shí)現(xiàn)有效連接，即按現(xiàn)有設(shè)計精度，載荷適配器主被動端可實(shí)現(xiàn)連接鎖緊，具有互換性。

通過計算可得主被最大定位誤差為0.24 mm，最大角度誤差為0.18°。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)方法

采用對接機(jī)構(gòu)性能試驗(yàn)系統(tǒng)對載荷適配器連接過程進(jìn)行模擬。對接機(jī)構(gòu)性能試驗(yàn)系統(tǒng)如圖8 所示，為半物理試驗(yàn)系統(tǒng)，具備模擬在機(jī)械臂輔助情況下載荷適配器捕獲、連接、鎖緊過程的功能。試驗(yàn)臺主要包括試驗(yàn)臺機(jī)械臺體、驅(qū)動系統(tǒng)（6 自由度機(jī)器人和機(jī)器人驅(qū)動器）、力測量與仿真系統(tǒng)（六維力傳感器、采集板卡、動力學(xué)仿真模型）、控制系統(tǒng)（控制上位機(jī)、下位機(jī)）及監(jiān)視與顯示系統(tǒng)，系統(tǒng)組成如圖8 所示。

圖8 對接機(jī)構(gòu)性能試驗(yàn)臺Fig.8 Performance test bed for the docking mechanism

采用工業(yè)機(jī)械臂模擬實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)力阻抗模式，其中載荷適配器主動端安裝于機(jī)械臂末端，載荷適配器被動端安裝于機(jī)械臺體。對機(jī)械臂定位系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定后，設(shè)置載荷適配器主被動端初始狀態(tài)，由機(jī)械臂攜帶載荷適配器主動端施力運(yùn)動，通過機(jī)械臂阻抗控制配合主被動之間的機(jī)械界面導(dǎo)向，最終實(shí)現(xiàn)與被動端完成捕獲，與主被動端連接。載荷適配器主、被動端連接完成后，通過激光跟蹤儀測試系統(tǒng)測試主被動端連接精度，載荷適配器連接精度測試系統(tǒng)如圖9 所示。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證適配器產(chǎn)品互換性指標(biāo)及連接精度指標(biāo)，設(shè)計生產(chǎn)2 臺主動端產(chǎn)品及10 臺被動端產(chǎn)品，通過排列組合方式，開展逐對互換性匹配及連接精度試驗(yàn)驗(yàn)證。在機(jī)械臂的輔助下完成主、被動端產(chǎn)品連接鎖緊，鎖緊完成后，測試主、被動端產(chǎn)品連接精度。測試結(jié)果見表1。由表1 可知，參與測試的2 臺主動端產(chǎn)品可分別與10 臺被動端產(chǎn)品完成匹配連接，且連接角度誤差與位置誤差均滿足指標(biāo)要求。

表1 載荷適配器連接精度試驗(yàn)表格Tab.1 Connection accuracy tests on the Mengtian payload adapter

3.3 試驗(yàn)小結(jié)

通過對載荷適配器多臺產(chǎn)品進(jìn)行互換性匹配測試及連接精度測試，可得如下結(jié)論。

1）參與試驗(yàn)的載荷適配器主動端、被動端產(chǎn)品具有良好互換性性能，與上文理論分析結(jié)果相匹配。

2）20 個工況對接試驗(yàn)完成后，連接精度測試顯示最大角度偏差0.16°，最大位置偏差為0.21 mm。上述數(shù)值均在理論分析最大誤差值0.18°及0.24 mm 范圍內(nèi)。測試結(jié)果與理論分析結(jié)果向相匹配。

3）在進(jìn)行一定精度控制前提下，3 處120°均布的桿-槽式定位構(gòu)型具備較好的互換性性能，且對接精度滿足使用要求。該構(gòu)型可作為后續(xù)空間對接機(jī)構(gòu)設(shè)計選型時的優(yōu)選構(gòu)型。

4 結(jié)束語

介紹夢天載荷適配器產(chǎn)品，并對產(chǎn)品互換性和連接精度性能進(jìn)行理論分析及試驗(yàn)驗(yàn)證。

1）介紹夢天載荷適配器工作過程、產(chǎn)品組成及桿-槽式定位原理；對3°～120°均布桿-槽定位方式展開數(shù)學(xué)建模分析，通過分析數(shù)學(xué)模型，得出該定位方式具有良好的定位精度及互換性能，在后續(xù)空間對接機(jī)構(gòu)設(shè)計過程，可作為備選構(gòu)型優(yōu)先考慮。

2）對適配器產(chǎn)品互換性及連接精度特性進(jìn)行理論計算及設(shè)計，分析結(jié)果表明，在主動端定位槽分布精度±0.1°、被動端定位鎖柄分布角度精度±0.1°的情況下，適配器定位位置誤差≤0.24 mm，角度誤差≤0.18°；最后設(shè)計了20 個試驗(yàn)工況，通過2 臺主動端產(chǎn)品，分別與10 臺被動端產(chǎn)品進(jìn)行逐個對接測試，各工況主被動端匹配性良好，最大位置誤差0.21 mm，最大角度誤差為0.16°。

夢天載荷適配器采用的桿-槽式對接方案具備較好的互換性，且對接精度可滿足使用要求。