空間對接電磁鎖緊機構研究

樓雨涵，解志堅，楊 臻，王昊東

(1.中北大學 機電工程學院， 太原 030051； 2.中國兵器工業試驗測試研究院， 陜西 華陰 714200)

隨著人類對空間探索需求的增加，航天器的功能越來越多，結構越來越復雜，空間對接技術是實現航天器在軌裝配、補給、維修、升級的先決條件。傳統空間對接技術多采用推力器配合機械式對接機構。目前國內外研究方案中，多采用機械臂配合電磁裝置完成在軌對接，然后通過持續電磁引力完成兩航天器的鎖緊連接。電磁對接相對于傳統空間對接具有低燃料消耗、無羽流污染、可小型化、連續可逆可無沖擊對接等優勢[1-4]。

本文通過對電磁式對接系統的研究，驗證了電磁柔性對接的可行性，為以后對電磁對接的研究提供了一定參考價值。電磁柔性對接總體系統中包含機械結構鎖，在完成電磁對接后，利用電磁力驅動鎖緊裝置完成主動衛星與被動衛星之間剛性鎖緊連接。鎖緊完成后系統可斷電，有利于減少能源消耗，減少電磁場對工作元件的干擾。

1 電磁鎖緊解鎖結構

空間電磁對接系統主要由主動系統和被動系統兩部分組成，如圖1所示。主動系統包括：主動系統主電磁鐵、主動系統副電磁鐵、精對準齒、鎖銷槽、主動對接錐頭。被動系統包括：被動系統主電磁鐵、被動系統副電磁鐵、鎖緊/解鎖電磁鐵、精對準槽、鎖緊插板、鎖緊銷、鎖銷彈簧，滑軌，滑塊、被動對接錐口。

1主動對接錐頭；2精對準齒；3鎖銷槽；4主動系統主電磁鐵；5外殼；6后蓋；7磁路；8電磁線圈(a) 主動系統

1被動對接錐口；2鎖緊銷；3鎖銷彈簧；4鎖緊插板；5精對準槽；6外殼；7滑塊；8滑軌；9被動系統主電磁鐵；10主電磁鐵定位件；11鎖緊/解鎖電磁鐵定位板；12彈簧；13鎖緊/解鎖電磁鐵；14后蓋(b) 被動系統圖1 空間電磁對接系統示意圖

2 電磁鎖緊解鎖工作原理

主動衛星與被動衛星接觸后進入鎖緊位置后，需利用電磁鎖緊機構進行兩衛星之間的剛性鎖緊，以確保兩衛星之間的連接可靠。電磁鎖緊機構由鎖緊裝置、鎖緊/解鎖電磁鐵、主動系統和被動系統主電磁鐵共同工作實現。利用電磁鐵產生的電磁力進行對鎖緊裝置的驅動，減少了系統中的驅動種類，降低了系統的復雜度。

2.1 電磁鎖緊工作原理

如圖2所示，當鎖緊/解鎖電磁鐵與被動系統主電磁鐵之間產生電磁斥力，且主動系統主電磁鐵與被動系統主電磁鐵之間產生電磁引力時，被動系統主電磁鐵帶動滑塊和斜面鎖緊插板遠離鎖緊/解鎖電磁鐵。鎖緊插板插入鎖緊位置，鎖緊插板斜面將鎖銷推入鎖銷槽，此時完成鎖緊。鎖緊完成后，系統可關閉所有電源。被動系統主電磁鐵受力如圖3所示。

圖2 鎖緊動作工作流程示意圖

圖3 被動系統主電磁鐵受力示意圖

采用滑軌、滑塊用于減少被動系統主電磁鐵與外殼之間相對移動時的摩擦產生的阻力。為了減少鎖銷與鎖緊插板的斜面之間相對滑動所產生的阻力，鎖銷(如圖4)采用滑動軸承與鎖緊插板的斜面接觸。

圖4 鎖銷

2.2 電磁解鎖工作原理

為獲得最大解鎖力，使鎖緊/解鎖電磁鐵與被動系統主電磁鐵之間產生電磁引力、主動系統主電磁鐵與被動系統主電磁鐵之間產生電磁斥力。鎖緊/解鎖電磁鐵和主動系統主電磁鐵共同對被動系統主電磁鐵作用從而使得被動系統主電磁鐵獲得最大解鎖力帶動滑塊和斜面鎖緊插板，鎖緊插板離開鎖緊位置，鎖銷退出鎖銷槽，此時完成解鎖。為了避免主動系統主電磁鐵與被動系統主電磁鐵之間產生電磁斥力時，主動衛星與被動衛星之間過早產生分離力而影響鎖銷退出鎖銷槽，主動系統和被動系統的副電磁鐵之間應產生足夠大的電磁引力，抵消主動系統主電磁鐵與被動系統主電磁鐵之間產生的電磁斥力，使得主動衛星與被動衛星之間合力為引力，從而不會釋放分離。各電磁鐵之間受力情況如圖5所示，其中FA

圖5 解鎖時各電磁鐵之間受力情況示意圖

解鎖時，鎖銷軸承在鎖銷彈簧的作用下與插板斜面時刻保持接觸，鎖緊插板退出鎖緊位置時，鎖銷退出鎖銷槽。

3 Maxwell 3D仿真

3.1 電磁鎖緊過程

為獲取足夠大的鎖緊驅動力，需采用鎖緊/解鎖電磁鐵和主動系統主電磁鐵共同對被動系統主電磁鐵作用的方式，即鎖緊/解鎖電磁鐵與被動系統主電磁鐵之間電磁斥力作用、主動系統主電磁鐵與被動系統主電磁鐵之間電磁引力作用。

根據系統總體結構設計，被動系統主電磁鐵移動行程為10 mm，鎖緊/解鎖電磁鐵與被動系統主電磁鐵之間最小間距1 mm，主動系統主電磁鐵與被動系統主電磁鐵之間最小間距為3 mm。使用Maxwell 3D建模和電流方向、磁場如圖6所示，其中被動系統主電磁鐵沿Z軸移動的坐標范圍L1=-10～0 mm(-10為解鎖位置，0為鎖緊位置)。電磁鐵參數設置如表1。鎖緊力FZ電磁力仿真曲線如圖7。

圖7 被動主電磁鐵鎖緊力仿真曲線

表1 鎖緊時電磁鐵參數

圖6 鎖緊時電磁鐵Maxwell 3D建模和電流方向、磁場

3.2 解鎖力

使用Maxwell 3D建模和電流方向如圖8所示，其中被動系統主電磁鐵沿Z軸移動的坐標范圍L1=-10～0 mm(-10為解鎖位置，0為鎖緊位置)。電磁鐵參數設置如表2。電磁力仿真曲線如圖9，Force10_z為主動系統所受Z軸電磁引力大小，Fz為被動系統主電磁鐵受解鎖力大小。由圖9(a)可知Force10_z值為20.5～21.13 N，系統的合力始終為引力。

圖8 解鎖時電磁鐵Maxwell 3D建模和電流方向

表2 解鎖時電磁鐵參數

圖9 電磁力仿真曲線

4 動力學仿真

4.1 建模過程

在動力學建模中，當模型零部件較多，系統較為復雜時，為了能夠更清晰的掌握運動規律，對模型進行合理的簡化和假設，有利于減少多余的約束和接觸力，減少計算量、節約計算時間，有利于動力學仿真[5-6]。故對模型進行以下簡化和假設：

1) 如無具體要求或特殊說明時，模型的零部件均看作剛體[7]；

2) 模型按照實際的運動規律添加約束，不考慮模型的尺寸公差和誤差；

3) 動力學仿真按照在空間環境下進行，不計重力加速度的影響，故重力加速度為零；

4) 相互接觸且不參與運動的零部件之間進行布爾加和操作，作為一個零件處理，并與衛星之間添加固定副[8-9]。

使用三維建模軟件UG對空間電磁柔性對接系統和衛星進行建模并導入ADAMS中。按照實際情況對零部件進行材料、約束、接觸力的添加，并根據電磁力仿真結果和計算結果對模型相關零部件施加驅動、載荷。模型定義主動衛星與被動衛星以Z軸為對接軸，相對距離LZ=500 mm；以主動衛星為基準，將被動衛星以Z軸(滾轉軸)為轉軸旋轉3°，即兩衛星之間滾轉角度差為3°；以被動衛星為基準，將主動衛星以俯仰軸為轉軸旋轉0.15°，即兩衛星之間俯仰角度差為0.15°，空間電磁柔性對接系統ADAMS模型如圖10所示。圖11為仿真模型驗證信息界面。

圖10 空間電磁柔性對接系統ADAMS模型示意圖

圖11 空間電磁柔性對接系統ADAMS模型驗證信息界面

4.2 仿真結果分析

鎖緊與解鎖過程動力學仿真針對主動衛星與被動衛星進入鎖緊位置后的鎖緊動作、解鎖動作進行仿真計算。主要還原了鎖緊/解鎖動作過程，分析了機械結構的運動部件之間的受力情況。

各電磁鐵Z軸方向受力曲線如圖12所示。圖12中正方向為引力，負方向為斥力。圖12(b)和圖12(c)中受力大小參照圖7和圖9參數設置；0.055～0.065 s時，圖12(a)中一組副電磁鐵負向的斥力150 N，則兩組副電磁鐵累積提供斥力300 N。

圖12 各電磁鐵Z軸方向受力大小曲線

運行鎖緊與解鎖過程動力學仿真曲線如圖13所示。圖13(a)中實線為被動系統主電磁鐵、滑塊、鎖緊插板等移動部件的Z軸方向時間-坐標(位移)曲線；虛線為其中一個鎖緊銷Y軸方向時間-坐標(位移)曲線；圖13(b)曲線為鎖緊銷軸承與鎖緊插板之間Y軸方向接觸力大小曲線；圖13(c)曲線為鎖緊銷軸承與鎖緊銷軸承中心軸之間Y軸方向接觸力大小曲線。

圖13 鎖緊與解鎖過程動力學仿真曲線

結合圖12和圖13(a)可以看出，t=0～0.5 s時間段，被動系統主電磁鐵和鎖緊/解鎖電磁鐵之間為斥力，主動衛星主電磁鐵與被動衛星主電磁鐵之間為引力，此時被動系統主電磁鐵移動至鎖緊位置，鎖緊銷插入鎖緊槽；t=0.75～0.16 s 時間段，副電磁鐵之間相互引力維持衛星間連接狀態，被動主電磁鐵和鎖緊/解鎖電磁鐵相互引力、主動衛星主電磁鐵與被動衛星主電磁鐵相互斥力，被動主電磁鐵在兩個力作用下反向移動10 mm逐漸返回解鎖位置，鎖緊銷移動3 mm退出鎖緊槽；

從圖13(b)可以看出，t=0.03 s起，鎖緊銷軸承與鎖緊插板開始接觸，并且以鎖緊動作和解鎖動作時接觸力最大，接觸力最大值為147.2 N；t=0.055～0.065 s時間段，主、被動衛星之間受到300 N的軸向反作用力(分離力)時，鎖緊銷軸承與鎖緊插板接觸力最大為79.8 N；該數據將用于強度校核，檢驗鎖緊銷軸承與鎖緊插板之間是否在受過大載荷時發生塑性形變；

從圖13(c)可以看出，t=0.03 s起，鎖緊銷軸承與鎖緊銷軸承中心軸接觸力以鎖緊動作和解鎖動作時接觸力最大，最大值為243 N；t=0.055～0.065 s時間段，主、被動衛星之間受到300 N的軸向反作用力(分離力)，鎖緊銷軸承與鎖緊銷軸承中心軸接觸力最大為182 N；鎖緊銷軸承中心軸達到剪切強度。圖中后期接觸力發生跳變，是因為軸承與中心軸相對滑動的過程中，還有徑向的碰撞，導致接觸力振動，其大小不變，方向反復變化。

5 結論

對系統電磁力充分合理利用，不需要額外的電機等驅動裝置驅動，利用電磁柔性對接技術中電磁鐵提供的電磁力驅動完成主動衛星與被動衛星之間剛性鎖緊連接和解鎖。利用Maxwell 3D對電磁鎖緊與解鎖釋放技術所用電磁力進行仿真分析，仿真結果將用于驗證電磁鎖緊與解鎖釋放機構的可行性，電磁鎖緊與解鎖釋放機構在動力學仿真方面基本符合預期設計。