一種柔性捕獲鎖緊裝置設計及仿真分析

賀 超 吳 臣 譚 慶

（湖南國防工業職業技術學院，湘潭 411207）

在軌維護和維修、在軌加注、在軌功能擴展和軟件升級等在軌服務任務，日益成為我國衛星發展的重要任務[1-5]?，F有的空間對接捕獲和鎖緊裝置存在不能兼容多種直徑目標衛星法蘭、對接時沖擊較大以及鎖緊后沒有能量緩沖等問題。本文在前人研究的基礎上，提出一種能適應不同直徑目標衛星法蘭、鎖緊元器件帶有結構簡單、動作可靠的緩沖元件的模塊化捕獲鎖緊裝置。

1 研究背景

在現代科技體系中，衛星在通信、導航、預警以及氣象等軍用和民用領域發揮著重要作用。隨著人類太空活動的日益頻繁和航天科技的迅猛發展，太空中的衛星數量迅速增多。衛星發射后除了日常的使用和遠程控制外，人類對衛星的維修、維護以及升級等能力有待提升，存在故障衛星難以修理、報廢衛星難以清除、燃料耗盡的衛星明明其他系統正常卻不得不報廢以及衛星難以根據需要進行升級擴展等問題。衛星具有高應用價值，其損失和失效將會帶來巨大的經濟損失，故在衛星維修維護領域的支撐性研發課題具有巨大的經濟價值。未來社會的發展中，智能化等科技革命對衛星的通信、導航等需求將會急劇擴大，衛星數量、衛星種類也將出現高速增長，對應的在軌服務系統的搭建與運行將成為必然。衛星在未來將向在軌可建造、在軌可擴展、在軌可重構的方向發展。因此，針對衛星的捕捉技術將成為空間在軌服務技術開展與應用的重要一環。

隨著航天器的研發與應用，以及一系列航天任務的探索與實施，美國、歐洲、日本以及加拿大等國家和地區，在故障維修、維護保障、在軌裝配以及服務性設計等方面進行了相關探索。目前的在軌服務通常是基于某個具體任務進行的針對性操作，如哈勃望遠鏡在軌維修、國際空間站太陽能帆板加裝以及太陽極大年使者（Solar Maximum Mission，SMM）探測器維修等。雖然尚未形成系統的在軌服務體系，但是積累了大量經驗。

目前，國內外圍繞在軌維修、輔助變軌、衛星延壽、在軌維修以及碎片清除等關鍵任務開展了多項在軌服務項目。作為空間在軌服務中的關鍵部分，衛星捕獲與軌道調整系統發揮著關鍵作用。

在國外，美國的在軌服務技術領域領先于其他各國，美國宇航局、國防高級研究計劃局以及美國空軍等，均提出了相關計劃。在可預見的未來，私人航天公司將會大規模參與在軌服務業務。美國在軌服務項目主要有自主交會技術驗證衛星、試驗衛星服務系統、軌道快車、微小衛星技術試驗、軌道通用軌道修正航天器、前端機器人使能近期演示驗證、鳳凰以及詹姆斯·韋伯空間望遠鏡等。

在國內，從21世紀初開始，在國家自然科學基金的支持下，我國對空天飛行器若干重大基礎問題進行了跨學科聯合科研，同時航天試驗系統和工業部門也進行了許多嘗試。目前，有關在軌服務的技術研究還很零散，很多工作尚處于概念研究階段，對什么是航天器在軌服務、在軌服務包括哪些內容、通過哪些途徑實現、發展在軌服務需要關聯到哪些技術等，都尚未有系統和清晰的思路，沒有上升到理論層面。學術與技術主要關注在跟蹤研究方面，沒有形成廣泛認可的概念和技術體系。

隨著我國航天事業的不斷發展，航天探索與應用不斷深入，在軌服務的技術體系將逐步建立。隨著工程實踐的不斷積累，借鑒國外成功經驗，我國在軌服務將迎來突破性發展。

2 工作原理及結構組成

捕獲鎖緊裝置結構如圖1所示，由滑動座、小連桿、接觸板、導引桿、楔形塊、捕獲電機、絲杠組件、適應電機、聯軸器、固定座、傳動軸、內撐手指組件、傳動箱、彈簧連桿、剛性連桿以及下壓鎖緊組件等零部件組成。固定座是其余零部件的基礎安裝平臺，負責安裝各種傳感器與運動部件，并對部件運動進行引導和約束。捕獲電機、適應電機、傳動箱通過螺釘固定安裝在固定座上。衛星捕獲過程有若干動作，通過對機械結構的優化設計，成功大幅削減了電機數量。絲杠一端通過軸承套接在固定座的安裝孔內，另一端通過軸承套接在滑動座內的安裝孔內?？梢酝ㄟ^絲杠放大驅動扭矩，實現滑動座整體的運動。滑動座通過T形凸起安裝在固定座的矩形槽內，在絲杠螺母的帶動下可沿固定座的矩形槽滑動?；瑒幼厦娴?個小連桿兩端分別與接觸板和滑動座鉸接，接觸板用于貼合靠近衛星法蘭，為懸空狀態，僅通過小連桿與系統相連。剛性連桿通過四方套接在傳動箱的渦輪方孔內，與渦輪形成固定關系。內撐手指組件和下壓鎖緊組件中部通過軸承與剛性連桿鉸接，尾端通過銷軸與彈性連桿鉸接。因為不同法蘭尺寸的差異，下壓鎖緊連桿的下壓動作不能為剛性，必須為匹配不同尺寸而具備一定的柔性，所以增設了彈簧連桿，避免損壞衛星法蘭或捕獲裝置。

圖1 結構示意圖

工作時適應電機旋轉，依次驅動傳動軸、蝸桿、蝸輪、剛性連桿，使內撐手指組件和下壓鎖緊連桿對準目標衛星法蘭中心，隨后捕獲電機轉動，驅動絲杠帶動絲杠螺母和滑動座向法蘭中心移動[6-11]。此過程中接觸板接觸到目標衛星后，在連桿帶動下向下平移，將目標衛星法蘭下壓，直至法蘭將楔形塊后推，使法蘭位置被限制在楔形塊和固定座之間。捕獲電機繼續轉動，滑動座接觸到內撐手指組件后，推動內撐手指組件和下壓鎖緊組件逆時針轉動。下壓手指組件接觸法蘭后將法蘭鎖緊在固定座上，完成對目標衛星的鎖緊。鎖緊后，接觸板能限制衛星法蘭位置，避免柔性下壓鎖緊在遇到強烈沖擊時脫開。

3 仿真結果及分析

應用剛體動力學仿真軟件ADAMS建立如圖2所示的剛體動力學仿真模型。先在固定座、捕獲電機、適應電機與大地施加固定副，然后捕獲電機與絲杠施加固定副，適應電機與傳動軸施加固定副。此外，需要在絲杠螺母與滑動座施加固定副，絲杠與絲杠螺母之間施加螺旋副。螺旋副參數根據絲杠選型確定，小連桿與滑動座和接觸板分別施加轉動副。楔形塊與導引桿施加固定副后，與固定座施加滑動副，并在固定座與楔形塊安裝孔之間增加彈簧模型，使其具備一定的復位能力。傳動軸與蝸桿施加固定副。蝸輪和蝸桿之間施加接觸副。蝸輪與剛性連桿之間施加固定副。內撐手指組件和下壓鎖緊連桿組件中部與剛性連桿施加旋轉副，尾端與彈簧連桿施加旋轉副。內撐手指組件與滑動座施加接觸副。接觸板、內撐手指組件、下壓鎖緊連桿組件分別與目標衛星法蘭施加接觸副[12-15]。各接觸副之間靜摩擦系數設定為0.1，動摩擦系數設定為0.05。

下壓連桿鎖緊組件前端位移速度規律如圖3所示，最大位移為4.5 mm，符合下壓行程要求。結合彈簧連桿彈性，它滿足大尺寸法蘭下壓時的安全要求。最大下壓速度為21 mm·s-1，總體上下壓平滑，運動過程中各部件運動規律符合預期，不同階段動作切換流暢，法蘭下壓到位，沒有出現法蘭偏轉、脫離問題，與目標衛星的法蘭無較大的沖擊振動。

圖3 下壓鎖緊連桿組件前端位移速度規律

4 結語

在前人研究的基礎上，提出了一種使用蝸輪蝸桿驅動剛性連桿轉動實現適應不同直徑目標衛星法蘭使鎖緊面積最大化的方案，同時采用四連桿聯動機構實現對目標衛星法蘭的下壓鎖緊，結構簡單可靠。仿真分析表明，此方案能在理論上滿足對目標衛星法蘭的捕獲和鎖緊，具備進一步實施工程實踐的理論基礎。后續將持續優化和改進裝置性能和可靠性，適當設置動力冗余，避免長時間工作時驅動失效，同時對接觸摩擦部件增加固體潤滑涂層，進一步優化動作導引相關導引槽外形，實現運動平緩、沖擊輕微。此外，可以通過工程試制和樣機試驗不斷測試、完善裝置功能。