復合式對接試驗臺構型及動力學分析

張元　范長珍

摘要：小型衛星空間交會對接是影響航天事業發展的關鍵技術。為了保證小型衛星空間對接的成功率，通過仿真對接試驗臺進行地面對接模擬試驗研究是十分必要的。針對空間對接試驗臺對接模式單一、通用性差的問題，在立式對接試驗臺的基礎上設計了復合式對接試驗臺，該試驗臺可實現垂直和水平兩種對接模式，并詳細介紹了關鍵部件的組成結構和工作原理。對被動對接平臺球關節進行了動力學分析，依據分析結果對為球關節的旋轉運動提供動力的平衡桿組件進行了優化。同時，利用仿真分析軟件對主動對接平臺的底盤支撐組件進行了仿真分析，結果表明：底盤支撐組件的最大變形和最大應力均在允許范圍內，滿足設計要求。

關鍵詞：復合式試驗臺；對接模式；球關節；動力學分析

DOI：10.15938/j.jhust.2018.01.002

中圖分類號： TH122

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2018）01-0007-06

Abstract：Small satellite rendezvous and docking is a key technology affecting the development of the space industry. In order to ensure the success rate of small satellites in space docking， it is necessary to carry simulation test of space docking through the space docking simulation test bench. In response to the problems of space docking test platform docking form single and poor universality， on the basis of vertical docking test platform composite docking test rig is designed. The test platform can realize two kinds of docking modes of vertical and horizontal， and introduces the structure and working principle of the key components in detail. The dynamic analysis of ball joint of the passive docking table is carried out， and the balance bar components which provide power for the rotary motion of the ball joint is optimized. At the same time， the simulation analysis is carried out by using the simulation analysis software to carry out the simulation analysis of the supporting components of the active docking platform. The results show that the maximum deformation and maximum stress of the chassis support components are in the range of requirements and meet the design requirements.

Keywords：composite test platform；docking pattern；spherical joint；dynamics analysis

0引言

小型衛星空間交會對接技術在現代航天領域占據著舉足輕重的位置，航天器空間對接成功與否關系著大型空間站的建立、航天器在軌服務壽命的延長及營救遇險航天員等空間活動的實施[1-3]。空間對接過程是極其復雜的運動學和動力學過程，并且伴隨著碰撞和振動，只依靠數學模型對該過程進行分析研究是不夠的，需要通過空間對接試驗臺對影響空間對接的各因素進行綜合分析研究[4-7]。目前國內外較成熟的對接試驗臺有五自由度繩索式綜合仿真試驗臺、六自由度混合式綜合仿真試驗臺、五自由度氣浮仿真試驗臺、籃球架式可移動多自由度交會對接仿真器等[8-11]。這些對接仿真試驗臺只能進行垂直或水平單一模式的對接試驗，得到的技術數據不夠全面，存在一定的盲區。綜上所述，設計一臺能同時實現多對接模式的一體機式復合對接試驗臺，對航天事業的進一步發展具有重大意義。

1復合式對接試驗臺總體構型

本文在立式對接測試平臺（如圖1所示）的基礎上遵循結構簡單緊湊、質量輕、對接模式轉換靈活的設計原則， 進行了復合式對接試驗臺的研究設計。

復合式對接試驗臺是指對接模式及功能非單一化的，可實現多種對接模式的一體機式對接試驗臺[12-13]。本文設計的復合式對接試驗臺主要由架體、運動模擬器、重力平衡裝置、控制系統和檢測及驗證系統組成。其中運動模擬器由主、被動對接平臺兩部分構成，分別用于安裝主、被動對接機構且分別設有轉換機構。架體由空心方鋼焊接而成，底部橫梁設置了倒T型滑道，主動對接平臺能沿此滑道進行移動。重力平衡裝置采用的是吊裝式結構，通過兩套配重裝置來平衡被動平臺及對接機構被動部分的重量，以達到近似模擬太空失重環境的目的。復合對接試驗臺的總體結構及兩種對接模式狀態如圖2所示。

當試驗臺從垂直對接模式向水平對接模式轉換時，首先通過主、被動對接平臺的轉換機構分別將用于安裝主、被動對接機構的底盤支撐組件和法蘭盤相對旋轉90°，底盤支撐組件和法蘭盤的旋轉角度通過角度傳感器進行測量，然后調整主、被動對接平臺垂直和水平方向間的距離以達到實驗要求的距離，反向重復上訴動作便可使該試驗臺實現從水平對接模式到垂直對接模式的轉換。

與立式對接測試平臺相比復合式對接試驗臺不僅具有六個自由度，且各自由度可實現獨立運動且相互間不產生耦合運動，而且可以實現垂直和水平兩種對接模式，且在兩對接模式間可實現靈活轉換，通用性好，適應不同對接機構及對接試驗的要求。這在空間對接試驗臺的研究領域是一個新的突破，打破了對接試驗臺結構形式單一的局面，開啟了垂直和水平兩種方式相結合的一體機式對接試驗新領域，為高精尖對接機構及小型衛星空間交會對接技術的研究提供更全面可靠的技術及數據支持。

2復合式對接試驗臺關鍵部件結構設計

2.1主、被動對接平臺轉換機構設計

運動模擬器是復合式對接試驗臺的重要組成部分，其功能是模擬小衛星空間對接運動，其中主對接平臺模擬追蹤衛星，被動對接平臺模擬目標衛星[14]。從結構緊湊性和對接模式轉換靈活性的角度考慮，對主被動對接平臺轉換機構進行了詳細的結構設計。

2.1.1主動對接平臺轉換機構

主動對接平臺主體由十字型布置的雙層滑移導軌、轉換機構及底盤支撐組件構成，可實現X、Y兩個移動自由度[15]。轉換機構的作用是在不改變該平臺運動特性的前提下使其對接模式實現由垂直到水平的轉換，該轉換機構由電機、蝸輪蝸桿、齒輪、限位桿等組成，其結構如圖3所示。電機通過蝸桿帶動渦輪旋轉，通過齒輪A將旋轉運動傳遞給底盤支撐組件支架使其旋轉一定角度，底盤支撐組件與支架相連接，從而實現垂直到水平對接模式的轉換。該轉換機構傳動平穩，工作可靠，選用步進電機作為動力源。該電機精度高、響應快、可實現正反轉。在模式轉換過程中利用角度傳感器來控制底盤組件的旋轉角度。

2.1.2被動對接平臺轉換機構

被動對接平臺由移動端、導向桿、球關節、吊架、轉換機構和法蘭盤組成，實現Z向移動及繞X、Y、Z三軸的轉動（既滾轉、俯仰、偏航運動），為了保證四個自由度的運動不受影響，轉換機構不僅要工作可靠，且要求結構簡單質量輕，如圖4所示。該轉換機構由電機、蝸輪蝸桿、十字形軸構成。蝸輪與法蘭分別位于十字形軸的兩相鄰軸端上，電機通過蝸桿帶動蝸輪旋轉，并將旋轉運動傳遞給十字形軸，法蘭盤隨著十字形軸旋轉，從而實現對接模式的變換。該轉換機構的電機依然選用步進電機。

2.2重力平衡裝置

眾所周知空間對接環境為失重狀態，因此對接試驗臺應具備模擬太空失重環境的功能[16-17]。復合式對接試驗臺采用吊裝式重力平衡裝置模擬失重狀態。垂直對接模式下由于被動對接平臺結構布局對稱，其整體重心位于垂直中心線上，通過繩索另一端的配重塊來平衡其重量以達到模擬太空失重狀態，如圖5（a）圖所示。但在水平對接模式下由于結構布局的變化導致被動對接平臺整體重心偏移，本文利用桿稱的平衡原理通過重力平衡桿與配重滑塊來解決這一問題，如圖5（b）圖所示。平衡桿通過法蘭盤與十字形軸連接，配重滑塊可在其上移動，從而起到平衡的作用。

3被動對接平臺動力學分析

被動對接平臺模擬的是被動對接機構在對接過程中的運動及姿態變化，其中繞X、Y、Z三軸的旋轉運動是通過平衡組件與球關節相配合實現的。當平衡盤在平衡桿上的位置發生變化時平衡組件重心發生偏移產生偏轉力矩，在該力矩的作用下，球關節與軸瓦間產生相對轉動從而使末端執行機構發生偏轉運動，如圖6所示。由圖可知，與立式對接測試平臺相比復合式對接試驗臺的被動對接平臺由于增設了轉換機構導致球關節受力變大，球關節繞著某一軸進行旋轉運動時球關節與軸瓦間的摩擦力增大。當摩擦力大于偏轉力矩時致使球關節旋轉達到預設的旋轉角度要求。本文設計的復合式對接試驗臺要求三個轉動自由度的運動范圍在-5°～5°之間。

以繞ζ軸旋轉為例，通過赫茲彈性變形理論對關節球旋轉過程中所受的摩擦力進行分析[18-20]，如圖7所示。球關節在轉動過程中與軸瓦間產生的摩擦力矩與球關節轉動方向相反，兩者接觸面上的正應力近似按余弦規律分布，用字母P表示，即p=p0cosα，p0為關節球任一點A處的正應力值，α為該受力點的半徑與ζ的夾角。由公式Fζ=0得：

由分析計算結果可知，球關節處旋轉角度不能達到5°，不滿足設計要求。為了解決這一問題最簡單而有效的方法為對平衡桿的長度進行優化，由以上計算可知平衡組件能產生的最大偏轉力矩至少為73N·m才能滿足要求。通過反推計算得出平衡桿最小長度應為0.52m，考慮到其他可能導致摩擦力增大的影響因素，取平衡桿長度為0.6m。

4主動對接平臺底盤支撐組件有限元分析

主動對接平臺底盤支撐組件的作用是安裝和支撐主動對接結構，在垂直對接模式下對接機構的重量作用于底盤上，然而當復合式對接試驗臺由垂直對接模式變換到水平對接模式時主動對接機構的重量完全由支撐桿來承擔，同時在自身重量的作用下支撐桿產生彎曲變形。支撐桿變形過大將影響對接機構的對接精度，本文參照三爪式對接機構的參數利用ANSYS Workbench軟件中Static Structural模塊對其進行變形和應力分析。

將模型導入Static Structural中，設置材料屬性為45號鋼，進入Modal模塊采用四面體網格對模型進行網格劃分，生成了25693個單元和65932個節點。三爪式對接機構主動對接機構重量為120N，每根支撐桿承受20N向下的力，施加載荷后通過solve求解得變形及應力云圖，如圖8所示。由分析云圖得知最大變形量和最大應力如表1所示。

由分析結果可知，支撐桿在水平對接模式下的最大變形量及最大應力值都非常小，所以支撐桿件不會產生較大的彎曲變形，不會導致其對接中心線的偏離，不影響對接精度。

5結語

本文在立式對接測試平臺的基礎上進行了復合對接試驗臺的構型設計，主要針對主、被動對接平臺的對接模式轉換機構、重力平衡裝置進行了詳細設計。同時，對被動對接平臺球關節旋轉運動進行了動力學分析，依據分析結果對平衡桿進行了優化，將其長度重新設計為0.6m，從而使球關節的旋轉運動滿足設計角度要求。另外通過ANSYS Workbench分析軟件對主動對接平臺底盤支撐組件進行了靜力學分析，驗證其強度及剛度符合要求。復合式對接試驗臺可根據試驗要求在垂直和水平兩種對接模式間靈活地轉換，并且具備實現自鎖功能，工作可靠。本設計打破了地面對接模擬試驗臺對接模式單一，通用性差的局面，將在空間對接研究領域開啟新篇章。

參 考 文 獻：

[1]張壯.空間半物理仿真平臺研究[D]. 上海：上海交通大學，2014：16-43.

[2]林平.日本工程試驗衛星VII的空間自動交會對接試驗[J].中國航天，1997（1）：29-32.

[3]張崇峰，覃黎洋.空間對接與空間站[J].科學，2012，64（1）：5-7.

[4]MENG X， GAO F， WU S， et al. Type Synthesis of Parallel Robotic Mechanisms： Framework and Brief Review[J]. Mechanism and Machine Theory， 2014（78）： 177-186.

[5]肖余之，鄒懷武，徐峰.對接動力學試驗臺的建模與仿真研究[J].宇航學報，2010，31（3）：674-680.

[6]JAMES R，MUSLINER D， THOMAS K. Configurable Spacecraft Control Architectures for onorbit Servicing and Upgrading of Long Life Orbital Platforms[C]// Aerospace Conference Proceedings. 2010 （3）： 2492-2497.

[7]于利喜.五自由度氣浮仿真試驗系統設計與實現[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2013.

[8]ZHANG Yuan， ZHOU Lili， WANG Jian， et al. Research on Dynamics Simulation of Buffering Process of Docking Mechanism[J]. Applied Mechanics and Materials， 2014（701）：748-752.

[9]張元，孫麗麗，王健.新型六自由度運動模擬器及其性能測試[J].哈爾濱理工大學學報，2014，19（4）：38-44.

[10]IHN Y S， JI S H， MOON H， et al. Kinematic Design of a Redundant Parallel Mechanism for Maskless Lithography Optical inStrument Manipulations[J]. Microsystem Technologies， 2014，20（8）： 1479-1490.

[11]許劍，任迪，楊慶俊，等.五自由度氣浮仿真試驗臺的動力學建模[J].宇航學報，2010，31（1）：60-64.

[12]黃偉芬，田志強，王春慧.航天器人控交會對接系統工效學要求與評價技術研究及實踐[J].載人航天，2015，21（6）：535-544.

[13]GILMORE A， EVERNDEN B， ESTES L， et al. Space Shuttle Orbiter Structures & Mechanisms[C]// AIAA SPACE 2011 Conference & Exposition， California， 2011： 3-22.

[14]YUAN Z， YUAN L Z， FAN C Z. Analysis on Modeling and Motion Simulation Based on Manipulator End Executor of Small Satellite during the Grasping Process[J]. International Journal of Smart Home， 2015，9（10）：125-132.

[15]張元，孫麗麗，胡乃文，等.小型衛星立式對接測試平臺的動力學分析[J].哈爾濱理工大學學報，2014，19（2）：6-10.

[16]JANIN J. Proteinprotein Docking Tested in Predictions CAPRI Experiment [J]. Molecular BioSystems，2010， 6 （12）： 62-64.

[17]劉曉，趙鐵石，邊輝，等.耦合型3自由度并聯穩定平臺機構動力學分析[J].機械工程學報，2013，49（1）：45-52.

[18]張華，肖余之.空間對接機構緩沖試驗臺分離性能析[J].載人航天，2015， 21（1）：19-24.

[19]楊熾夫，韓俊偉.空間對接超大型地面運動模擬器系統的基礎問題研究[J].金屬加工（冷加工），2015（9）：80.

[20]周冰峰.平面應變模型試驗臺設計與研究[D].成都：西南交通大學，2014，12-18.

（編輯：溫澤宇）