空間電磁對接技術應用論述

馬 帥，王海峰，周 磊，朱子環

(北京航天試驗技術研究所，北京 100074)

0 引言

航天器之間交會對接的可靠性是載人航天任務成功執行的重要基礎，傳統航天器依靠發動機推力實現空間交會對接，在太空中，使用推進劑會帶來羽流污染，損害鄰近的光學儀器、敏感器件，且較難控制與監測對接接觸力，因此，在此背景下電磁對接技術應運而生。電磁對接技術通過鐵芯和線圈產生電磁力，由于電磁技術不存在太空污染且能實現柔性弱撞擊對接模式，近年來多次被應用到航天器空間交會對接技術領域，美國、英國、意大利等國家進行了設計與驗證，我國國防科技大學、哈爾濱工業大學等單位也進行了探索。

本文重點概述了電磁式對接機構的技術進展和研究成果，展望了未來空間交會對接機構研制的探索方向，以期為我國電磁式空間交會對接機構的設計與研究提供指導與參考。

1 美國在空間電磁對接技術方面的研究與應用

美國約翰遜航天中心工程局開發了一種用于觀測航天器太空活動的微型自主艙外相機(Mini-AER Cam)[1,2]，如圖1所示。Mini-AER Cam接口含有永磁體，被動單元接口是纏繞線圈的電磁鐵，兩者通過電磁力實現接近捕獲，在對接末端時，通過電機、齒輪等傳動，利用球形鎖實現對接鎖緊[3]。

近年來，越來越多的研究方向聚焦于美國提出的航天器編隊飛行。如圖2所示，麻省理工學院設計了由3個線圈組成的電磁系統[4]，基于解析法，推導了遠、近、中場電磁力公式。

在SPERES項目中，美國馬里蘭大學聯合麻省理工學院等設計了為衛星編隊飛行提供動力的環形線圈[5]，并在國際空間站進行了測試。衛星之間通過通用對接端口(UDP)[6]進行捕獲與分離，UDP對接面上含有1個導向桿、1個鎖緊孔、2個傳電銅片，對接面后設有電磁鐵[7]，UDP通過導向桿和鎖緊孔的相對轉動實現鎖緊[8]。UDP對接機構及工作原理如圖3所示。

圖1 Mini-AER Cam及接口構成

圖2 編隊飛行的線圈電磁系統

2 英國在空間電磁對接技術方面的研究與應用

為了實現將多個不同單機功能模塊組裝成航天器聯合系統，英國薩里大學提出了小型智能自供電模塊(ISMs)構想[9]，ISMs上裝有電磁平面對接系統(EFDS)和太陽能板，如圖4所示。ISMs位姿確定系統先進，姿態算法有效距離為30 m，位置算法有效距離為50 m[10]，EFDS捕獲范圍可達10 m。

為了降低太空望遠鏡的發射及維修成本，英國薩里大學聯合美國加州理工學院基于ISMs開展了AAReST研究任務[11]，太空望遠鏡主要由3U附衛星和15U主衛星重構，發射時所有載荷固定在15U主衛星上，入軌后根據任務需求載荷重組，其對接系統是多根纏繞線圈的螺線管，通過電流方向控制衛星連接與分離，螺線管前端為錐形導向機構[12]，如圖5所示。

圖3 UDP對接機構及工作原理

圖4 ISMs及其電磁組裝

圖5 重構前的太空望遠鏡及其電磁對接系統

3 意大利在空間電磁對接技術方面的研究與應用

為了實現模塊單元在軌的組裝與分解，意大利帕多瓦大學設計了可以自主交會控制的對接機構(ARCADE)[13]。ARCADE為錐桿對接形式，被動單元由接納錐、電磁閥、電磁鐵等組成，主動單元由導向錐、阻尼器、磁尖等組成[14]。主、被動單元通過磁尖和電磁鐵進行捕獲，由導向錐與接納錐進行導向，通過電磁閥進行鎖緊。ARCADE對接機構如圖6所示。

圖6 ARCADE對接機構

4 中國在空間電磁對接技術方面的研究與應用

國防科學技術大學設計了由5個線圈組成的圓周線圈式電磁對接裝置，如圖7(a)所示，經仿真對比，該布置方案可以有效增強系統電磁力[15]。結合錐桿式機構的優點，又設計了含4個線圈的自穩定柔性電磁對接機構[16]，如圖7(b)所示。

哈爾濱工業大學研制了微納衛星電磁對接機構[17]，該機構由鋁制框架、電磁裝置組成，其中電磁裝置由12個線圈和24塊永磁體構成，且在地面成功地進行了分離和轉位工況模擬，如圖8所示。

圖7 國防科學技術大學設計的電磁對接機構

圖8 微納衛星電磁對接機構

中北大學對電磁對接裝置進行了詳細設計，但并未開展試驗研究。其設計的空間合作柔性電磁式對接機構[18]通過電磁鐵的拋射和收回實現拉近對接，如圖9所示。此外，還對利用電磁鐵實現機構對接接口自吸和姿態調整的狀態進行了仿真研究[19]。

1-電機;2-電機支架;3-聯軸器;4-卷揚機組件;5-基座;6-外殼;7-鎖緊機構組件;8-電磁鐵組件;9-發射機構;10-柔性索及電線;11-吸附塊;12-頂桿;13-頂桿外筒;14-彈簀;15-底座圖9 空間合作柔性電磁式對接機構

5 結論與建議

電磁對接技術避免了使用推力器存在的控制較難、污染等問題，通過利用滑模控制等算法實現兩航天器弱撞擊對接，有效地保證了結構和儀器的正常工作，因此，將電磁技術運用到航天器對接過程是未來空間交會對接技術的發展方向。本文通過對比國內外電磁對接技術的研究與應用，得出以下結論：

(1) 我國的電磁對接技術發展處于起步階段，雖然有單位進行研制與試驗，但是并未有在軌成功案例。未來航天單位與相關高校應進行緊密合作，通過吸收轉化國外在軌應用的成功技術，推進我國航天事業的發展。

(2) 目前電磁對接技術主要應用于小型航天器中，在大型航天器的使用上還存在著驅動力不足的局限性。因此，提升電磁控制、實現高溫超導等核心技術的突破，是電磁對接技術廣泛應用的基礎之一。

(3) 電磁技術會引入電磁污染、磁場干擾等問題，影響航天器中部分器件正常工作，故進行電磁防護、規避電磁干擾等是電磁式空間交會對接機構發展過程中的關鍵研究方向之一。