航天器爪型對接機構對接過程動力學仿真分析

（北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

1 引言

空間對接機構是對接任務的重要部分［1］，隨著小型探測器、衛星等無人航天器的對接需求日益增加，小型對接機構日益受到關注，爪型對接機構屬于小型航天器無人自主對接機構，具有機構簡單、設計緊湊、自適應能力強、小型化、輕量化等優點，是我國未來無人空間任務對接機構的重要發展方向。

國內對小型航天器對接機構的研究相比國外較晚，曲廣吉，于偉、楊芳等主要研究了異體周邊式與中心式對接機構［2-7］，研究成果并不適用于爪型對接機構，對爪型對接機構的動力學作用機理及對接表現并未涉及。類似爪型對接機構應用于美國的“軌道快車”（Orbital Express）計劃［8-11］，但是公開發表的文章中也未見其動力學仿真分析的相關文章。由于爪型對接機構構型與桿錐式、周邊式對接機構完全不同，對接過程也必然有差異，必須研究其對接過程位姿表現及力學機理、確定影響因素。同時，受到地面模擬空間環境試驗方法的限制，難以充分有效地開展對接機構的地面試驗研究。因此，仿真模擬成為對接機構對接過程動力學研究的主要手段。

為了掌握新型爪型對接機構對接過程位姿表現及力學機理、確定影響因素，本文利用Adams建立了考慮對接過程中的接觸、摩擦及碰撞等非線性因素的對接機構動力學模型，對對接過程進行仿真，分析捕獲手抓捕力、捕獲手摩擦力、緩沖器彈簧力、絲杠驅動電機力的變化與對對接過程的影響，對對接過程進行了詳細階段劃分，并且從能量角度進行了緩沖器性能研究，可用于爪型對接機構的進一步優化設計與研究。

2 爪型對接機構組成及工作原理

2.1 爪型對接機構組成

爪型對接機構主要由主動部分和被動部分組成，二者分別安裝于主動航天器和被動航天器上，對接機構的構成如圖1所示（下文所述“對接機構”均指爪型對接機構）。其中，對接機構主動部分包括捕獲手、驅動傳動部件、緩沖器、主體結構；被動部分屬于配合捕獲定位的瓣殼體結構件。

圖1 爪型對接機構Fig.1 Claw-type docking mechanism

2.2 爪型對接機構工作原理

1）捕獲手伸出打航天器開準備對接

捕獲手在初始狀態下收攏于主體結構內，接到指令后，捕獲手通過驅動傳動部件作用，在主體結構內由下向上平動伸出，捕獲手關節扭簧解除約束，在扭簧作用下捕獲手張開，其打開狀態如圖2（a）所示。

2）捕獲手捕獲瓣殼體實現軟連接

當對接機構接到捕獲指令后，捕獲手迅速收攏。捕獲手在收攏過程中先抱緊瓣殼，利用捕獲手調整主、被動機構（航天器）相對位姿關系，形成初步位置對準，如圖2（b）所示。

圖2 對接過程階段劃分Fig.2 Phases of docking process

3）捕獲手收回，主、被動部分形成剛性連接。

在捕獲完成后，通過收回捕獲手將兩航天器相互拉緊，過程中進一步校正位姿偏差，捕獲手收回至主體結構內，瓣殼體開始壓縮緩沖器，如圖2（c）所示，捕獲手持續拉緊形成連接預緊力，最終完成對接，如圖2（d）所示。

為便于分析，將對接過程相應劃分為3個主要階段：初始捕獲段、軟連接段、剛性連接段，分別對應圖2中的（a）到（b）、（b）到（c）、（c）到（d）過程。定義捕獲手完成合攏時，為軟連接段的起始時刻，對應圖2（b）；捕獲手拉至瓣殼手指槽，并且與緩沖器配合對瓣殼形成運動約束時為剛性連接段的起始時刻，對應圖2（c）。

3 對接過程仿真分析

3.1 虛擬樣機的建立

對接機構的仿真，首先要建立符合幾何特征、對接原理的幾何模型，然后將建好的三維模型導入Adams仿真平臺，添加約束條件，建立反映對接機構接觸、摩擦等非線性特性的動力學模型［12-14］，對接機構虛擬樣機模型如圖3所示。

捕獲手與瓣殼之間添加接觸約束（Contact），根據材料特性修改參數并添加摩擦。緩沖器與瓣殼在對接過程中會發生接觸碰撞，添加接觸約束（Contact），Adams中采用的接觸動力學模型為Hertz沖擊函數模型［12，15］：

式中：F為法向接觸力；K為接觸剛度系數；C為阻尼系數；δ、分別表示接觸法向嵌入量和穿透速度；e為剛度項的貢獻因子。

圖3 對接機構虛擬樣機模型Fig.3 Simulator of docking mechanism

3.2 仿真過程及參數

兩航天器在相對靜止且相對姿態角為零時為理想的對接狀態，定義在對正對接狀態下，捕獲距離（圖3中所示主、被動對接面中心軸向距離）為150mm時捕獲指令發出，仿真過程開始，捕獲距離小于1mm且無遠離趨勢時，仿真過程結束。

主、被動航天器分別連接于爪型對接機構主、被動部分上（圖3）。其相對本體質心坐標系的質量特性如表1所示。

表1 航天器質量參數Table 1 Mass Parameters of Spacecraft

3.3 仿真結果分析

1）軟連接段開始時刻的確定

對接過程開始時刻，捕獲手為打開狀態，接到捕獲指令后，對接機構的捕獲手首先收回合攏，三個捕獲手的合攏情況相同，圖4為其中一個捕獲手肩關節的轉角變化。

圖4 捕獲手關節轉角Fig.4 Angle of capture hand joint

由圖4可見，捕獲手初始處于打開狀態，其關節轉角量在80°以上，在7.4s時，關節轉角開始小于2°，捕獲手關節轉角合攏了98%以上，之后捕獲手關節轉角還有小幅下降，但是變化趨勢平緩。當關節轉角小于2°時，如果捕獲手可以捕獲到瓣殼，則瓣殼一定不會再脫離，認為捕獲手合攏基本完成，規定7.4s時為軟連接段的起始時刻，即捕獲手的合攏只需要7.4s就完成了。

2）剛性連接段開始時刻的確定

剛性連接段的開始時，3 個緩沖器與3 個手指槽應全部同時受力，因為可能存在已有緩沖器與手指槽受力，但個別緩沖器或手指槽還未受力的情況，所以剛性連接段的開始時刻應為這6個受力位置中最晚受到力作用的時刻，圖5為最后受力的手指槽受力變化，其他手指槽受力時刻稍早，但都在0.5s以內，在此沒有列出具體曲線。

圖5 手指槽受力Fig.5 Pressure of finger groove

由圖5可見，從37s開始，捕獲手受到手指槽的作用，說明已拉至手指槽位置；此時所有緩沖器也全部受力，分析可知，對接過程進入剛性連接段，定義剛性連接段開始時刻為37s，這段過程中捕獲手與緩沖器對瓣殼形成運動約束。

3）對接過程分析

圖6為主被動對接航天器的捕獲距離變化曲線，捕獲距離能夠直接反映兩對接部分的接近情況。

圖6 捕獲距離變化Fig.6 Variation of capture distance

由圖6可見，0-13.5s，捕獲距離保持在150mm，13.5-21.5s，捕獲距離加速下降，21.5-30s，捕獲距離勻速下降，30-37s，捕獲距離波動且基本沒有下降，37s至對接過程結束，捕獲距離勻速下降。

首先分析初始捕獲段，由圖7可知，0-7.4s內捕獲手夾緊力為0，說明捕獲手沒有接觸瓣殼，所以捕獲距離沒有變化。在圖6中，E點對應時刻為37s，與圖5所示的手指槽受力時刻完全相同。此時剛性連接段開始，按機構原理可知，捕獲距離勻速下降。AE段即為對接過程的軟連接段，這段過程是對接過程中最復雜的階段，下面對這段過程進行詳細分析。

圖7 捕獲手夾緊力Fig.7 Pressure of capture hand

由圖6可見，軟連接段的AB段中，捕獲手夾緊力為0，沒有夾緊瓣殼，捕獲距離仍然保持為150mm。由圖7可見，在13.5s時，夾緊力開始上升，此時對應圖6所示捕獲距離的B點，在BC段，捕獲距離加速下降，可知捕獲手與瓣殼間存在相對運動，分析引起加速接近運動的影響因素，給出捕獲手與瓣殼摩擦力變化如圖8所示。

圖8 捕獲手摩擦力變化Fig.8 Variation of friction on capture hand

由圖8可見，由13.5-21.5s，捕獲手與瓣殼摩擦力大于0，對應圖6的BC段，由于相對滑動摩擦力作用，捕獲距離開始加速下降，當瓣殼在摩擦力作用下加速到與捕獲手相對靜止時，摩擦力又下降為0直至31s，對應圖6中捕獲距離CD段的勻速下降。

圖9為緩沖器的受力變化情況，綜合圖8和圖9分析，從31s左右開始，摩擦力和緩沖力都開始增加，說明瓣殼已經接觸緩沖器，緩沖器才有力作用。緩沖器的彈性力會使瓣殼運動受到一定阻礙。由于靜摩擦力作用，瓣殼體開始壓縮緩沖器，捕獲距離減小，當緩沖器壓縮一定量后，緩沖彈力會大于靜摩擦力，靜摩擦力不足以保持瓣殼與捕獲手的相對靜止，捕獲手指與瓣殼開始出現相對滑動產生滑動摩擦力，按照庫倫摩擦力的原理，滑動摩擦力小于靜摩擦力，因此緩沖器的壓縮量釋放，摩擦力又使瓣殼運動壓縮緩沖器，如此反復作用引起圖6中捕獲距離DE段在78 mm 上下波動。從圖9中可見，在31～37s時，緩沖力有三次大于零的波動，對應捕獲距離DE段的3段下凹過程。由緩沖器行程變化（圖10）也可以看出，這段過程中緩沖行程有三次上升，可以證明緩沖器反復受壓，捕獲距離持續波動。

圖9 緩沖力變化Fig.9 Variation of buffer force

圖10 緩沖器行程變化Fig.10 Variation of buffer stroke

綜上，爪型對接機構的對接過程分為五個階段：①自由對接階段。捕獲手合攏但未接觸瓣殼體，兩個航天器處于自由狀態。②加速接近階段。捕獲手夾緊瓣殼，兩個航天器建立軟連接；捕獲手在絲杠驅動下以恒定速度向主動航天器收攏，因此捕獲手與被動航天器間的相對滑動產生滑動摩擦力，導致兩個航天器相互靠近。③穩定接近階段。捕獲手與被動航天器的速度保持一致，摩擦力為0，被動航天器以恒定速度接近主動航天器。④波動調整階段。瓣殼接觸到緩沖器頂端，由于緩沖器中彈簧的支撐作用靜止；捕獲手仍然以恒定速度向主動航天器收攏，捕獲手與被動航天器間的相對滑動產生滑動摩擦力，摩擦力與緩沖力反復調整，捕獲距離波動。⑤剛性連接階段。捕獲手拉至手指槽，被動航天器在緩沖器與捕獲手的合力作用下，以恒定速度接近主動航天器直至對接結束，剛性連接建立。在不同的階段中，對接過程的影響因素、作用機制及具體表現各不相同，分別由捕獲手抓捕力、捕獲手摩擦力、緩沖器彈簧力、絲杠驅動電機力等相互作用，交替出現。

4）緩沖器性能

圖11為對接機構電機輸入能量和緩沖器吸收能量的變化情況，紅線為電機輸入能量曲線，藍線為緩沖器吸能曲線。因為初始時刻系統靜止，所以電機輸入的能量即為系統的全部輸入能量。

圖11 緩沖器吸能情況Fig.11 Absorbable energy of buffer

由圖11可以看出，兩條曲線十分接近，3 個緩沖器吸收的總能量與電機輸入的能量變化趨勢相同，曲線前段比較平滑，因為被動部分還未壓縮緩沖器，緩沖器沒有吸能，電機輸入能量在軟連接段達到0.431J。從37s開始，緩沖器吸能和電機輸入的能量同時開始增加。對接完成時，電機對系統輸入的總能量為69.1J，主要作用于緩沖器的壓縮，緩沖器儲存了68.5J的能量可供分離使用，約99%的電能儲存至緩沖器中。

4 結束語

本文通過對航天器爪型對接機構對接過程進行動力學研究，建立了反映對接機構接觸、分離、滑動、摩擦和碰撞等非線性因素的動力學模型，實現了標稱狀態下對接機構對接過程的全程仿真模擬。結果表明：①爪型對接機構對接過程中，主被動航天器的接近情況不是線性減小的，捕獲距離接近情況可分為前述五個階段表現；②在捕獲距離減小過程中，從30～37s有7s左右的波動過程，造成波動的原因是手指摩擦力與緩沖器彈力的相互作用，需進一步關注波動情況對兩對接航天器及其有效載荷的具體影響；③從37s開始，緩沖器將持續壓緊直至對接結束，捕獲距離呈線性下降，緩沖器可以儲存68.5J的能量供分離使用，約99%的電能儲存至緩沖器中。

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