空間站轉位組建方案研究

沈曉鵬，劉 艷，胡雪平，耿海峰，魏 智，陳寶東，2

(1.上海宇航系統工程研究所，上海201109；2.上海市空間飛行器機構重點實驗室，上海201109)

空間站轉位組建方案研究

沈曉鵬1，劉 艷1，胡雪平1，耿海峰1，魏 智1，陳寶東1，2

(1.上海宇航系統工程研究所，上海201109；2.上海市空間飛行器機構重點實驗室，上海201109)

研究了國外空間站轉位組建和機械臂操作組建兩種方案。根據我國空間站任務和T字基本構型，提出了空間站組建的翻轉轉位和平面轉位的兩種方案。從基本組成與功能、安裝布局和工作過程方面進行了方案設計，并對兩種方案進行了分析對比，對比結果表明兩種方案各有優劣，翻轉轉位方案優勢明顯。研究結果可為空間站工程總體確定我國空間站組建方案提供參考。

空間站；機械臂；轉位機構；翻轉轉位；平面轉位

1 引言

我國載人航天工程計劃在2020年前后建成和運營近地空間站，獨立掌握近地空間站長期載人飛行技術，具備長期開展近地空間有人參與科學技術實驗和綜合開發利用太空資源能力[1]，由于我國與美國和俄羅斯相比，在技術基礎、研發經驗、研發保障等方面都存在很大差距，因此需要開展與國情相適應的空間站組建方案研究。

本文根據我國空間站工程任務，借鑒國外組建經驗，在我國航天技術發展現狀的基礎上，提出兩種可用于我國空間站組建的轉位方案，從多方面對兩種方案進行了對比研究。

2 國外空間站組建方案

空間站按結構構型可分為單模塊艙段式和多模塊組合式(或稱為積木式)兩大類，長久性空間站采用的為多模塊組合式空間站。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。根據組建工具的不同，多模塊空間站的組建有轉位組建和機械臂組建兩種方案[2]。

2.1 轉位組建方案

轉位組建適用于“十”字構型空間站的建造，俄羅斯和平號空間站采用此種組建方案。和平號空間站具有六個對接口，五個口集中在對接艙段上。對接艙段結構密度很高，可以實現軸向和側向對接。所有與和平號組裝的艙段必須首先與對接艙段實現軸向對接，然后通過轉位機構移動到側向對接口實現對接[3]。

轉位機構是在組裝艙段頭部裝有操作臂，它可以繞固定軸轉動，臂端有一個捕獲機構，對應這個捕獲機構的是一個與之匹配的旋轉座。旋轉座安裝在節點艙上。和平號空間站實現側向對接的過程如下[3]：

1)航天器首先與節點艙前端實現軸向對接；2)操作臂與旋轉座實現連接；

3)操作臂轉動航天器到側向，并對準側向對接口；

4)對接機構實現側向對接。

2.2 機械臂操作組建方案

機械臂操作組建方案是利用空間機械臂直接捕獲、抓取艙體到側向對接口然后進行對接。它實際上是先實現空間交會，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捕獲成功。這樣就避免交會對接過程中與空間站劇烈碰撞現象發生，碰撞力與軸向硬對接相比降低2～3個數量級。但是進行對接的艙體需要向空間站附近預定地點停泊，而且停泊時需要高精度保持相對位置和姿態穩定，存在控制困難問題。側向捕獲和連接需要通用停靠機構(CBM)來實現[4-5]。

3 我國空間站組建方案

規劃中的我國空間站包括核心艙、實驗艙Ⅰ和實驗艙Ⅱ。空間站采用水平對稱T形構型作為空間站三艙組合體基本拓撲結構，所有艙段均位于組合體當地水平面內。核心艙前端設置節點艙，節點艙前端用于載人飛船對接，節點艙左右停泊口用于實驗艙I和實驗艙II停泊。核心艙后端用于貨運飛船對接。空間站基本構型如圖1所示[6]。

圖1 我國空間站基本構型Fig·1 Basic configuration of the Chinese space station

機械臂操作組建方案在艙段位置和姿態控制方面對制導、導航與控制(GNC)系統要求非常高，同時機械臂系統本身能耗高，可靠度要求高，且組建過程需要CBM的配合；而采用轉位機構組建，有著結構緊湊、控制簡單、可靠度高、經濟性好的優點，可充分利用國內空間機構研究及應用成果。同時我國空間站基本的T字構型與和平號“十”字構型類似，可借鑒其組建方案和空間應用經驗。因此，我國空間站發展初期，采用轉位方案來組建較為經濟、穩妥，這是與載人航天技術的發展相適應的。

根據實驗艙質心運動軌跡的不同，可以將轉位方案分為翻轉轉位組建方案和平面轉位組建方案。

3.1 翻轉轉位組建方案

翻轉轉位組建方案與和平號組建方案[3]類似。方案采用的是兩個自由度轉位機構，通過兩回轉軸線垂直的關節(轉臂關節和轉位關節)交替動作實現實驗艙轉位。

1)基本組成和功能

翻轉轉位機構包括基座和轉臂兩部分，兩部分均由機構、控制和溫控三單元組成，具體組成見圖2。控制單元均由傳感器、控制驅動器和控制軟件組成。控溫單元均由熱敏電阻、熱控多層和加熱片組成。轉臂的鎖緊釋放機構用于在上升段將轉臂固定于艙體上；捕獲連接機構用于與基座捕獲、連接和釋放；轉臂和轉位驅動機構用于驅動轉臂關節和轉位關節轉動。

正常情況下基座與轉臂配合完成動作，在轉臂的捕獲連接機構無法完成釋放動作時，基座的驅動機構驅動解鎖機構進行解鎖。

圖2 翻轉轉位機構的組成Fig·2 Composition of tilt-transfer manipulator arm

2)安裝布局

核心艙先于實驗艙發射，且轉臂作為主動動作的機構，為提高轉位任務的可靠性，兩套基座安裝在節點艙上，轉臂安裝在實驗艙上。實驗艙前端安裝有主動對接機構，核心艙軸向口和停泊口安裝有被動對接機構，翻轉轉位機構總體布局如圖3所示。

圖3 翻轉轉位機構布局Fig·3 Layout of tilt-transfer manipulator arm

翻轉轉位機構的基座在節點艙上的安裝面圓心O和軸向對接口圓心O1以及相鄰兩停泊口圓心O2、O3形成正三棱錐。因此轉臂從軸向可以向兩個方向轉動，從而實現艙段從軸向至側向或徑向的相鄰兩個停泊口轉位，如圖4所示。

3)工作過程

圖4 翻轉轉位機構基座軸線Fig·4 Base axis of tilt-transfer manipulator arm

翻轉轉位過程始于實驗艙主動對接機構的對接鎖解鎖，轉位主要有以下四個過程，如圖5所示。從轉位過程可以看出，由于安裝點形成的正三棱錐特性，實驗艙轉位前后艙體會相對于自身軸線轉動90°。

圖5 翻轉轉位機構工作過程Fig·5 Working process of tilt-transfer manipulator arm

3.2 平面轉位組建方案

平面轉位組建方案是基于翻轉轉位方案，兼顧考慮實驗艙轉位任務需求而提出，方案是采用兩自由度的轉位機構，通過兩回轉軸線平行的關節(肩關節、腕關節)動作實現實驗艙轉位。

1)基本組成和功能

平面轉位機構與翻轉轉位機構基本組成相同，包括基座和轉臂兩部分，兩部分均由機構、控制和溫控三單元組成，各單元功能與翻轉轉位機構基本相同，見圖6。兩方案主要不同之處是兩個垂直安裝的轉臂和轉位驅動機構轉變為兩個平行安裝的肩關節和腕關節驅動機構。由于平面轉位前后轉臂處于實驗艙兩側，因此組成中增加停靠支架用于轉位后轉臂停靠。

圖6 平面轉位機構的組成Fig·6 Composition of plane-transfer manipulator arm

2)安裝布局

與翻轉轉位方案相同，為提高轉位任務的可靠性，平面轉位機構的一套轉臂安裝在實驗艙上，二套基座安裝在節點艙上。實驗艙前端安裝有主動對接機構，核心艙軸向口和停泊口安裝有被動對接機構，布局如圖7所示。

圖7 平面轉位機構布局Fig·7 Layout of plane-transfer manipulator arm

為了實現平面內轉位功能，轉位機構基座軸線位于水平面內，兩基座呈對稱布置，如圖8所示。由于基座軸線的布局，轉臂僅可以從軸向對接口轉位至對應的停泊口。

3)工作過程

平面轉位過程始于實驗艙主動對接機構的對接鎖解鎖，轉位主要過程如圖9所示。從平面轉位過程可以看出，與翻轉轉位不同，實驗艙轉位前后艙體相對于自身軸線不會發生轉動。

圖8 平面轉位機構基座軸線Fig·8 Base axis of plane-transfer manipulator arm

圖9 平面轉位機構工作過程Fig·9 Working process of plane-transfer manipulator arm

4 轉位組建方案對比

翻轉轉位組建方案和平面轉位組建方案組成和工作過程基本相同，均能實現實驗艙由節點艙軸向轉位至側向。但兩種方案主要在以下幾方面存在差異：

1)空間應用經驗及技術風險

翻轉轉位組建方案與俄羅斯和平號空間站組裝方案類似，和平號空間站組建方案已成功應用。同時翻轉轉位方案在國內已開展了相關研究，有一定的技術基礎[2，7]。

平面轉位組建方案屬于全新方案，國內外均無空間應用經歷。方案的借鑒性和成熟度較低，工程研制存在較高的技術風險。

2)任務適應性

翻轉轉位組建方案通過節點艙上安裝的一套基座能夠實現實驗艙從軸向口至相鄰兩個停泊口轉位動作，即能夠實現“一對二”轉位。此方案可以通過兩套基座實現艙體至節點艙四個停泊口的轉位，擴展性強。

平面轉位組建方案通過節點艙上安裝的一套基座僅能實現實驗艙從軸向口至對應停泊口的轉位動作，即只能實現“一對一”轉位，如節點艙需要停泊四個艙體則需要四套基座。

3)轉位后艙體姿態

如前所述，翻轉轉位方案基座軸線為相鄰對接口組成正三棱錐的高，因此轉位后實驗艙艙體相對于自身軸線轉動90°，這將會影響到實驗艙上安裝設備的工作姿態。

平面轉位組建方案由于轉位機構的肩關節和腕關節的軸線垂直于實驗艙的運動平面，轉位后實驗艙不會相對于自身軸線發生轉動。

4)組合體控制難度

翻轉轉位組建方案中，實驗艙轉位過程是先上翻后轉位。實驗艙的上翻動作使實驗艙質心與轉位軸距離減小。由于轉動慣量與距離的平方成正比，因此翻轉轉位方案的實驗艙轉動慣量較小。通過ADAMS軟件建立動力學模型，在設定關節轉速為0.1°/s的條件下進行仿真計算。轉位過程角動量計算結果見圖10，圖中實線為組合體控制力矩，虛線為角動量曲線。由圖可知轉位過程中最大角動量為2050 Nms。

圖10 翻轉轉位實驗艙角動量Fig·10 Cabin angular momentum of tilt-transfer scheme

平面轉位組建方案轉位前后實驗艙質心與轉位軸距離始終保持不變，轉位過程轉動慣量較大。在關節轉速同樣為0.1°/s時，轉位過程角動量仿真結果見圖11，圖中實線為組合體控制力矩，虛線為角動量曲線，最大角動量為7200 Nms。因此，空間站組合體控制難度相對翻轉轉位方案大。在無控的情況下，組合體姿態的變化在轉位前后將會比翻轉轉位方案更大。

圖11 平面轉位實驗艙角動量Fig·11 Cabin angular momentum of plane-transfer scheme

5)實驗艙空間占用

翻轉轉位組建方案中，轉臂在上升段是通過鎖緊釋放機構鎖緊在實驗艙上。轉位完成后，同樣通過鎖緊釋放機構固定在艙體上。因此，轉臂僅占用實驗艙一側空間。

平面轉位組建方案中，轉臂在上升段亦是通過鎖緊釋放機構鎖緊在實驗艙上，而轉位完成后，轉臂需通過停靠支架停靠在實驗艙另一側。同時平面轉位機構的運動為平掃運動，運動包絡范圍內均不能安裝其他設備。比翻轉轉位方案的實驗艙占用空間更大。

6)安裝接口

翻轉轉位組建方案的基座軸線是通過節點艙的球心。因此，安裝基座的座體與節點艙接口簡單，為圓形法蘭結構，加工制造容易，連接強度易于保證。

平面轉位組建方案的基座軸線位于水平面內且不過節點艙球心。因此，安裝基座的座體與節點艙接口為圓球圓錐相貫截面，接口復雜，制造精度和連接強度保證相對困難。

7)質量、尺寸

根據安裝布局，翻轉轉位組建方案轉臂長度約1 m，按照鋁合金材質進行估算，質量約70 kg，而平面轉位組建方案轉臂長度約1.6 m，質量估算約110 kg。由于上升段轉臂的力學載荷與質量成正比，因此平面轉位組建方案的轉臂鎖緊釋放機構相對于翻轉轉位組建方案需要克服更大的軸向慣性力，載荷更惡劣，對轉臂的強度和剛度要求更高。

8)緩沖系統

翻轉轉位組建方案的兩關節軸線垂直，因此轉位過程中兩個關節不存在動力學耦合作用。考慮到關節的彈簧阻尼作用，關節運動可以看作是單自由度振動模型。動力學過程較為簡單，緩沖系統設計難度低。假定關節剛度為100 Nm/°，阻尼系數為500 Nms/°。通過ADAMS動力學仿真計算得到轉位關節和轉臂關節在轉位過程中的力矩曲線，如圖12所示。通過曲線可以看出，同一時刻僅有一個關節產生力矩，不存在關節耦合。

圖12 翻轉轉位機構肩關節和腕關節力矩Fig·12 Shoulder joint and wrist joint torque of tilttransfer arm

平面轉位組建方案兩關節軸線平行，啟動以及緩沖制動時會發生關節的動力學耦合，關節運動可簡化為兩自由度振動模型，緩沖系統設計難度較翻轉轉位大。同樣的剛度和阻尼，肩關節和腕關節在啟動和制動過程的力矩仿真結果見圖13。由圖可知，肩關節和腕關節在轉位過程同一時刻存在較復雜的動力學耦合。

9)地面試驗系統

由翻轉轉位方案的轉位過程可知，實驗艙在轉位過程中質心軌跡為空間三維曲線，質心曲線的示意圖見圖14。在進行轉位過程地面試驗時，重力平衡系統平衡實驗艙重量的同時，需要跟隨質心運動，地面試驗系統復雜。平面轉位方案實驗艙質心軌跡為平面曲線，地面試驗系統則相對簡單。

圖13 平面轉位機構肩關節和腕關節力矩Fig·13 Shoulder joint and wrist joint torque of planetransfer arm

圖14 翻轉轉位實驗艙質心運動軌跡Fig·14 Cabin centroid trajectory of tilt-transfer arm

通過上述對比，翻轉轉位組建方案在空間應用、組合體控制難度、任務適應性和設計難度等方面均優于平面轉位組建方案。平面轉位組建較翻轉轉位組建方案在轉位前后艙體姿態變化和地面試驗方面有一定優勢。

5 結束語

本文在對國外空間站組建方案研究的基礎上，根據我國空間站任務提出翻轉轉位和平面轉位兩種轉位組建方案，對兩種方案從空間應用經驗、任務適應性、組合體控制、設計難度和地面試驗系統等方面進行了對比，對比結果表明兩種方案各有優劣，翻轉轉位方案優勢明顯。空間站工程總體可針對兩種方案的特點，結合我國空間站任務具體需求，進行利弊權衡，選擇適宜的轉位組建方案。

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Study on Transfer Construction Scheme of Space Station

SHEN Xiaopeng1，LIU Yan1，HU Xueping1，GENG Haifeng1，WEI Zhi1，CHEN Baodong1，2
(1.Aerospace System Engineering Shanghai，Shanghai201109，China；2.Shanghai Key Laboratory of spacecraft Mechanism，Shanghai201109，China)

Construction scheme of foreign space station by transfer manipulator arm or remote manipulator system was studied in this paper.According to Chinese space station mission and basic configuration，the scheme of tilt-transfer and plane-transfer were proposed.The basic composition and function，installation layout，as well as the working process of two kinds of schemes were designed. The two kinds of schemes were analyzed and compared.Comparison results show that the two schemes have their own advantages and disadvantages.The advantage of tilt-transfer scheme is obvious.The research results can provide reference for the Chinese space station project to determine the space station transfer construction scheme.

space station；manipulator arm；transfer mechanism；tilt-transfer；plane-transfer

V423.7

A

1674-5825(2015)05-0450-06

2014-08-10；

2015-07-15

上海市科學技術委員會資助項目(15XD1524000)

沈曉鵬(1984-)，男，碩士，工程師，研究方向為空間對接機構。E-mail：coolsxp＠163.com