對接機構分系統研制

陳寶東,鄭云青,邵濟明,陳 萌

(上海宇航系統工程研究所,上海 201108)

0 引言

對接機構是神舟八號飛船和天宮一號目標飛行器實現交會對接的關鍵之一,是我國空間站建造的必要條件。為神舟八號飛船研制的對接機構由上萬個零件組成,是目前我國航天器在軌使用的最復雜的空間機構之一。其任務是在規定的對接初始條件范圍內,實現與目標飛行器的對接、保持對接和安全分離。

本文介紹了我國神舟八號飛船和天宮一號目標飛行器對接機構分系統及其研制。

1 對接機構分系統設計

1.1 對接機構分系統組成

根據產品,對接機構分系統由機械組件、控制器、驅動器和控溫儀4臺單機構成,其中機械組件采用導向瓣內翻的異體同構周邊式構型。飛船對接機構機械組件安裝在軌道艙的前端面,目標飛行器對接機構機械組件(純被動)安裝在實驗艙的前端面。兩對接機構共同完成兩飛行器間的對接、保持對接和分離任務,具有捕獲、緩沖、校正、拉回、鎖緊、密封和分離等功能。

飛船對接機構機械組件的對接環和對接框通過絲杠6根、絲杠聯系組合、差動組合等形成的傳動緩沖系統連接,捕獲鎖3個安裝在對接環上,對接鎖12套、分離推桿2個和電路浮動斷接器4路安裝在對接框外側,密封圈2道安裝在對接框對接面,如圖1所示。

圖1 神舟八號飛船對接機構組成Fig.1 Structure of docking mechanism for Shenzhou-8 spaceship

目標飛行器對接機構機械組件的對接環與對接框固連,卡板器3個安裝在對接框內側,對接鎖、分離推桿和電路浮動斷接器安裝在對接框外側,如圖2所示。

圖2 天宮一號目標飛行器對接機構組成Fig.2 Structure of docking mechanism f or Tiangong-1 target spacecraft

對接機構的控制器、驅動器和控溫儀安裝在軌道艙內部,承擔了指令傳輸、驅動控制、參數采集和溫度控制等任務。其中：控制器的主要功能是完成自動控制,根據飛船自動控制指令,按機械組件當前狀態進行邏輯分析處理,向驅動器發出機構動作的控制信號;驅動器接收到控制信號后,驅動電機或電磁拖動機構動作,完成對機械組件的運動控制;控溫儀采集和傳輸機械組件、控制器、驅動器,以及控溫儀的溫度信號,并對機械組件進行主動控溫,具備在軌注入功能,可改變溫度控制值或斷開/閉合指定的控溫回路。

1.2 控制時序設計

對接機構的控制時序是根據飛船和目標飛行器的工作時序,在測控弧度內工作。其中對接準備是在400 m停靠段進行,包括對接機構加電自檢、對接環推出到準備對接位置。對接準備過程的時序如圖3所示。

圖3 對接準備時序Fig.3 Scheduling of docking preparing

在經過140 m和30 m停靠后,飛船繼續與目標飛行器交會,直至兩對接機構的對接環接觸,進入對接過程。對接過程包括接觸、捕獲、緩沖校正、拉近和鎖緊等,其過程如圖4所示。

在組合體任務完成后,進入分離程序,其過程包括驅動器的驅動電路加電、對接機構自檢、對接鎖解鎖和解鎖后的機構復位等,如圖5所示。

圖4 對接過程時序Fig.4 Scheduling of docking course

1.3 設計方案

1.3.1 捕獲功能

兩飛行器近距離交會至滿足對接初始條件后,在一定的相對速度下,兩對接機構對接環相互接觸碰撞,兩對接環相互插入,完成兩飛行器初始導向。當兩對接環端面逐漸靠近后,捕獲鎖與卡板器捕獲。

圖5 分離過程時序Fig.5 Scheduling of separating course

1.3.2 推出拉近功能

由飛船對接機構的傳動緩沖系統通過電機驅動,使6根絲杠運動,從而在對接前將對接環推出,或在緩沖校正后將對接環拉近。

1.3.3 緩沖校正功能

通過飛船對接機構傳動緩沖子系統的彈簧、阻尼、摩擦等元件緩沖飛行器間的碰撞載荷,消耗碰撞能量,校正兩飛行器間的相對位置和姿態偏差。

1.3.4 鎖緊功能

兩飛行器拉近至端面接近位置時,通過飛船對接機構的對接鎖鎖緊目標飛行器的對接鎖,實現兩飛行器的剛性連接。

緊急情況下,也可通過目標飛行器對接機構的對接鎖鎖緊飛行器的對接鎖,實現兩飛行器的剛性連接。

1.3.5 密封功能

鎖緊過程中,安裝在對接面的密封圈被壓縮、壓緊,使對接機構間形成一密封對接通道。同時,電路浮動斷接器也被自動連接,實現電路連通。

1.3.6 分離功能

組合體任務完成后,對接鎖解鎖,解除兩飛行器間的連接,分離推桿將兩飛行器推開,實現分離,并提供一定的分離速度。緊急情況下,也可通過起爆火工品解鎖對接鎖,實現分離。

1.3.7 控制功能

載人飛船對接機構對接分離控制設置了自動控制和手動控制兩種模式,兩種控制模式相互獨立。對接機構分系統設置了必要的遙控、程控、手控指令以處理對接與分離過程中的故障。

1.4 可靠性與安全性

根據對接、保持對接和分離任務要求,對接機構分系統進行了功能分析,針對分系統各工作環節開展了可靠性和安全性設計及驗證。

1.4.1 可靠性

a)系統設計中主要考慮功能冗余,采用自動控制和手動控制方式控制對接過程。考慮分離的重要性,采取冗余設計方案。其中,捕獲鎖和對接鎖解鎖均采用3種解鎖方式。采取的冗余措施提高了任務完成的可靠性。

b)對接機構在驅動和測量環節采用冗余設計,如主驅動組合和對接鎖驅動組合為雙電機驅動,電磁拖動機構為雙線圈驅動,傳感器為多觸點冗余或多個開關冗余等。對不能采用冗余設計的結構和機構,采用強度安全裕度和驅動裕度設計以保證工作可靠。

c)為保證兩對接機構的互換性和有溫差時的對接,對接機構相互匹配部分采用容差設計,并考慮產品因熱變形產生的尺寸變化,保證在有溫差時仍能可靠對接。

d)控制單機采用功能模塊冗余和局部電路冗余綜合的方式,如雙電源模塊、多個CPU系統表決、局部電路電容串聯和電阻并聯等。

1.4.2 安全性

根據對接機構分系統在軌任務與狀態分析,涉及航天員的安全性工作階段主要在組合體飛行段和分離段,與對接機構機械組件的承載能力、密封能力和安全分離等功能及性能有關。涉及設備安全性的主要是控制分系統的安全性設計(故障隔離設計),避免控制分系統對飛船其他分系統造成危險。

針對航天員安全性,按一般危險源和故障危險源對對接機構分系統的危險源進行分類,并就安全性設計提出應對措施。對識別的危險,分系統采用消除危險、危險最小化、應用安全裝置控制危險、用報警裝置控制危險、用特殊規程控制危險等措施消除或控制危險。主要安全性設計措施有：

a)捕獲鎖解鎖前,先卸載作用于捕獲鎖的載荷,捕獲鎖電機驅動模塊有足夠的降額,提高捕獲鎖電動解鎖的可靠性。

b)捕獲鎖設置手動解鎖機構,當電動解鎖失效時,可通過航天員手動解鎖。手動解鎖機構考慮了航天員操作的可行性。

c)當捕獲鎖無法解鎖時,可起爆目標飛行器對接機構卡板器上的火工品,解除捕獲鎖與卡板器間的連接狀態,實現解鎖。

d)對接鎖電動解鎖失敗時,可用火工品解鎖,確保對接鎖能解鎖,實現可靠分離。

2 對接機構分系統關鍵技術

2.1 總體設計

對接機構是集機、電、熱、控制等多學科為一體的復雜空間機構產品。因對接是碰撞和機構運動的復合過程,設計中須綜合考慮并掌握對接機構的力學參數、結構布局等總體參數設計技術,保證對接動力學和機構動力學的要求。同時,在滿足對接要求的前提下,須考慮高低溫、熱真空等空間環境,加工精度等因素對對接機構的精度設計、分配和保證的影響。

通過對接機構的對接時序、總體參數、結構布局、載荷、強度、精度、熱環境的適應性設計,并與動力學仿真結果不斷迭代,按設計——仿真——再設計——再仿真流程,確定對接機構的性能和載荷等總體參數。

2.2 動力學仿真

對接首先是兩飛行器間的接觸和碰撞,而剛體碰撞的精確求解還處于理論研究階段,無法直接用于工程,另外因機構的摩擦、潤滑、間隙、溫度的影響,傳動鏈的局部接觸和碰撞等難以建立模型,致使保證復雜機構動力學模型精度的難度高,數值計算結果誤差較大,對接機構的動力學仿真困難。

在關鍵技術攻關中,仿真先行,基于掌握的對接原理,利用初步確定的基本參數,建立了對接動力學碰撞模型和對接機構數值樣機模型,對對接動力學進行仿真,確定對接機構的緩沖參數,為機構的詳細設計和參數修正、與試驗結果的對比和驗證提供了重要依據。

2.3 試驗

對接機構具有大量的活動部件同步協調工作,以保證兩飛行器在對接初始條件范圍內可靠對接。由于航天產品的地面試驗子樣少、可靠性安全性要求高等特殊要求,真實模擬在軌工作狀態,并通過有限的產品與試驗充分驗證對接機構在各種環境中的性能和功能成為技術難點。

為充分驗證對接機構的設計和工藝,設計了對接機構的試驗方案,分別按分系統、單機、部件和材料級等不同級別進行試驗驗證。其中：分系統試驗主要是驗證各單機的機電匹配性、機電產品協調工作,以及自動對接與分離時序的正確性和故障模式下對策的可行性等;單機和部件試驗主要是試驗驗證單機和部件的主要性能與功能,考核其性能的一致性、穩定性,以及對振動、沖擊、高低溫、熱真空等空間環境的適應性。

研制中,提前進行了整機特性臺、對接緩沖試驗臺、對接綜合臺和熱真空試驗臺等大型試驗設備的方案論證與設計。試驗設備的提前啟動,保證了對接機構試驗能及時進行,為確保對接機構的工程研制進度奠定了基礎。

2.4 關鍵部件研制

對接機構包括大量的部件,如捕獲鎖、對接鎖、摩擦制動器、電磁阻尼器和電路浮動斷接器等。這些部件在不同工作過程的功能各異,性能要求甚至相互矛盾。如摩擦制動器,在對接環推出時需要其打滑力矩較大,以保證具足夠能力驅動傳動鏈的阻力,而在緩沖時則要求其有較小的打滑力矩,以保證對接環的適應能力更佳。因此,須通過合理的設計,充分的試驗驗證保證產品在不同過程的性能,保證對接機構可靠工作。

3 試驗驗證

對接機構分系統的驗證試驗分為兩類：一是通用試驗,如振動、沖擊、熱循環、熱真空等試驗,以驗證對接機構的環境適應能力;二是針對對接機構研制進行的專項試驗,如整機特性測試、捕獲緩沖和連接分離試驗、對接綜合試驗、熱真空對接與分離試驗,以及可靠性試驗和壽命試驗等,以驗證對接機構的設計和工藝的可行性與正確性。通過對試驗過程中暴露的問題進行改進,以及再試驗驗證,實現了對接機構的可靠性增長,提高了產品的可靠性。

3.1 整機特性測試

整機特性測試是機械組件在出廠后及各種環境試驗后必須進行的性能測試,其中包括等效性能、捕獲鎖的捕獲力/分離力等測試。整機特性測試臺如圖6所示。對經振動試驗、熱循環試驗、熱真空對接與分離全過程試驗前后的機械組件進行整機特性測試的結果表明性能一致性好,說明機械組件能經受力學環境和熱環境的考驗。

圖6 整機特性測試臺Fig.6 Test system of docking mechanism

3.2 連接分離試驗

連接分離試驗的目的是驗證對接機構連接分離性能參數設計的正確性,考核對接機構主、被動機械組件在設定故障條件下連接及分離的功能與性能,考核連接分離的可靠性。

連接分離試驗在對接緩沖試驗臺上進行,是對分離過程的全物理模擬。對接緩沖試驗臺以實物方式模擬主動飛行器和被動飛行器的質量特性,對接機構產品安裝在飛行器模擬件上,完成連接分離過程。對接緩沖試驗臺如圖7所示。

圖7 對接緩沖試驗臺Fig.7 Docking platform test system

3.3 對接綜合試驗

對接綜合試驗的目的是驗證對接機構在常溫和高低溫環境中各種對接初始工況條件下的捕獲與緩沖能力。

對接綜合試驗在對接機構綜合試驗臺上進行,采用半物理仿真的方法實時模擬兩飛行器在設定對接初始條件下的對接動力學過程。其中主動機械組件安裝在綜合臺的上平臺,被動機械組件安裝在運動模擬器上,均為真實產品。兩飛行器的質量、慣量特性和飛行器姿控系統作用采用數學模型模擬,由六自由度運動模擬器實現兩飛行器的相對運動。兩飛行器接觸前的相對運動根據交會的對接初始條件給出,兩個對接飛行器接觸后的相對運動由六維力傳感器測得,相互作用力由數學模型實時計算獲得。對接機構綜合試驗臺如圖8所示。

圖8 對接綜合試驗臺Fig.8 Docking general test stand

利用對接機構綜合試驗會完成了多種初始條件、溫度條件偏差下的對接綜合試驗,充分驗證并摸索了對接機構的捕獲緩沖能力,為交會對接任務的成功奠定了堅實基礎。

3.4 熱真空對接與分離試驗

熱真空對接與分離試驗的目的是在熱真空環境條件下,考核對接機構機械組件對接與分離全過程的功能及性能滿足狀況,驗證機械組件對熱真空環境的適應能力和主、被動對接機構有溫差時的對接能力。

熱真空試驗時將對接機構置于熱真空試驗臺上,整體吊入真空罐進行試驗。該試驗能模擬兩飛行器對接縱向等效質量,可以設定一定的對接初始條件,實現主、被動對接機構的碰撞、捕獲、緩沖、校正、拉近、鎖緊與分離的全過程。熱真空試驗臺如圖9所示。

熱真空對接與分離試驗驗證結果表明對接機構機械組件具有適應熱真空環境的能力,可在熱真空環境中完成對接與分離任務,經歷熱真空溫度循環后機械組件性能穩定,與試驗前無明顯差異;主、被動對接機構有溫差時仍能可靠對接。

4 研制情況

圖9 對接機構熱真空試驗臺Fig.9 Docking test system in thermal vacuum

根據中國載人航天戰略要求,從1994年起開展對接機構的論證,1996年完成對接機構緩沖系統試驗樣機,1998年完成對接機構原理樣機,2000年完成對接機構原理樣機改裝和試驗。2001年,開展了攻關樣機設計、攻關樣機研制、動力學仿真和試驗等關鍵技術,以及捕獲鎖、對接鎖、摩擦制動器、電磁阻尼器、電路浮動斷接器等8個部件和潤滑、密封兩項技術的攻關。通過關鍵技術攻關初步確定了對接機構的基本參數和結構尺寸,掌握了對接機構總體設計技術和對接動力學仿真方法,并通過試驗驗證初步掌握了對接機構地面試驗的方法,突破了8個關鍵部件的研制技術和潤滑、密封技術,攻關階段的總體設計與仿真分析方法。2 005年3月,對接機構分系統進入方案研制階段,通過了方案樣機整機特性測試、電系統測試,并完成了補充的關鍵技術攻關。2006年9月,對接機構分系統轉入初樣研制階段,完成了全部的力學環境鑒定試驗,完成了各種初樣條件偏差下的捕獲緩沖試驗和連接分離試驗。對接機構分系統的各項試驗結果表明：對接機構分系統能適應飛行過程中各種載荷和環境條件;能完成捕獲緩沖、連接密封和分離功能;同一產品在經歷各種環境條件后,性能無明顯變化,保持相對的穩定。2009年12月16日,通過了神舟八號飛船對接機構分系統初樣轉正樣院級評審。2011年11月3日,成功實現了神舟八號飛船和天宮一號目標飛行器的首次在軌對接。

5 結束語

神舟八號飛船和天宮一號目標飛行器的對接機構分系統采用異體同構周邊式構型方案,具捕獲、緩沖、校正、拉近、鎖緊、密封和分離等功能。研制過程中充分重視產品的可靠性和安全性,進行了大量的地面試驗驗證。從預先研究到工程研制,歷時17年,終于實現了在軌的成功對接。這標志著我國突破了空間站建造的關鍵技術,成為世界上第三個獨立掌握交會對接技術的國家,也為后續月球采樣返回、載人登月,以及深空探測用對接機構的研制奠定了技術基礎。