一种在轨空间对接机构动力学分析

第２期（总第２１３期）２０１９年４月机械工程与自动化ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　＆　ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮＮｏ．２Ａｐｒ．文章编号：１６７２－６４１３（２０１９）０２－００３０－０３一种在轨空间对接机构动力学分析孙　朋，解志坚，高碧祥，武国梁（中北大学机电工程学院，山西　太原　０３００５１）摘要：空间对接是在航天领域内倍受关注的研究热点和难点问题。

由于空间对接的最后阶段推力器是关闭的，依靠惯性使两航天器实现“刚对接”，因此缺乏有效应对突发情况的预知能力。

为了有效解决依靠惯性使两航天器实现空间刚对接所固有的问题，设计出一种新型电磁对接锁紧机构，并针对该机构的工作原理及在不同工况下的对接过程进行了动力学分析。

关键词：空间对接技术；新型电磁对接机构；动力学分析中图分类号：Ｖ４３∶ＴＰ３９１．７ 文献标识码：Ａ收稿日期：２０１８－０８－０６；修订日期：２０１９－０２－０２作者简介：孙朋（１９９３－），男，山西运城人，在读硕士研究生，主要研究方向：结构与仿真、自动武器发射技术。

０　引言空间对接是空间服务技术，在航天领域内受到广泛的关注。

目前，空间对接最后阶段推力器是关闭的，实施的是无控制动力、依靠惯性的“刚对接”，其缺乏应对突发情况的预知能力［１－３］。

为了有效解决对接最后阶段无控制动力、依靠惯性的“刚对接”问题，星间电磁力对接技术应运而生。

其利用航天器所携带电磁装置产生的电磁力作为对接过程的控制力来完成对接，不仅可有效避免上述“刚对接”问题，而且具有同步、连续、可逆及非接触控制能力等优点［４－６］。

因此，本文设计了一种质量小、体积小、功能简单的空间电磁对接锁紧释放机构，并运用动力学软件对其在不同工况下的对接过程进行仿真分析。

１　空间电磁对接机构组成空间电磁对接模块分为主动模块和被动模块。

主动模块主要为服务型航天器，被动模块一般为被服务型航天器，被服务的航天器是受体，需要服务型航天器为其提供一定的服务［７］。

当空间的主动模块被气动助推装置推到预定的距离后气动装置自动关闭，此时，主动模块的电磁铁与被动模块的电磁铁作用，进行自吸和一定的姿态调整。

当主动模块与被动模块对接后，锁紧机构对被动模块上的被动机构和主动模块的主动机构进行锁紧；电磁对接机构中电磁装置的另一个作用就是对主动模块与被动模块进行分离动作提供斥力使其达到分离状态［８］。

空间电磁对接装配模块组成如图１所示。

２　电磁对接接口动作原理电磁对接接口连接机构进行初对准连接动作原理如图２所示。

主动机构在电磁力的作用下接近被动机构时的初始状态如图２（ａ）所示，当主动机构继续接近被动机构，主动电磁铁与被动电磁铁作用，使主动机构向着被动机构方向运动，电磁罩上的初对准销进行对准，当主动机构与被动机构对接后，主动箱与电磁罩的弹簧起减弱撞击的作用。

主动机构棘爪齿与被动机构的棘爪齿接触对接完成的具体状态如图２（ｂ）所示［９－１１］。

１－服务卫星；２－主动模块；３－位置传感器；４－被动模块；５－受体卫星；６－被动电磁铁；７－锁紧机构；８－对接锥形口；９－初对准机构；１０－主动电磁铁；１１－主动驱动杆图１　空间电磁对接装配模块组成３　空间电磁对接过程的动力学建模３．１　建模假设电磁对接接口整体模型的零部件较多，系统比较复杂，为了提高仿真计算的速度，对三维模型进行简化很有必要。

现对空间电磁对接接口三维模型做如下假设［１２］：①系统的零部件默认为刚性体；②忽略零部件之间的尺寸公差和自然误差；③由于动力学仿真在空间环境下进行，忽略重力加速度对仿真结果的影响。

１－被动电磁铁；２－轴承；３－被动棘爪齿；４－锁紧圈；５－主动棘爪齿；６－初对准机构；７－主动驱动销；８－锥形导引口；９－主动电磁铁；１０－主动箱图２　电磁对接接口连接机构动作原理图３．２　建模过程通过ＵＧ建立模型后导出空间电磁对接模型的Ｐａｒａｓｏｌｉｄ（ｘ－ｔ）格式，再将Ｐａｒａｓｏｌｉｄ（ｘ－ｔ）格式的模型导入ＡＤＡＭＳ中进行动力学建模。

导入ＡＤＡＭＳ分析模型后，将所有零件的材料属性设为铝（Ａｌ）材料，对具有固定约束关系的零件添加固定约束，其中被动机构和服务卫星与大地进行固定连接，在有碰撞的零件之间施加接触力约束；然后，根据设计的弹簧参数，在相关零件之间添加弹簧力；最后，给主动机构施加ｚ轴方向的力载荷，当主动机构到达预定点时，主动机构完成对接。

导入ＡＤＡＭＳ的空间电磁对接接口模型如图３所示。

图３　空间电磁对接ＡＤＡＭＳ模型４　空间电磁对接接口仿真４．１　空间电磁对接机构的容差性能分析［１３］为了研究空间电磁对接接口的容差对仿真结果的影响，现采取控制单一变量方法验证各个容差指标对空间电磁对接接口对接过程的影响，为此将空间电磁对接的过程分为６个仿真工况进行分析，仿真工况如表１所示［１４－１５］。

表１　空间电磁对接接口的仿真工况工况内容标准工况主、被动机构相对姿态角为０°，且存在ｚ轴的距离工况１在标准工况下，在ｘ轴方向有２０ｍｍ位移工况２在标准工况下，在ｙ轴方向有２０ｍｍ位移工况３在标准工况下，具有１°的偏航角度工况４在标准工况下，具有１°的俯仰角度工况５在标准工况下，具有１°的滚转角度 对对接机构的主、被动机构分别在６种不同工况下进行仿真分析，将各个工况下得到的仿真结果进行对比分析，结果如图４所示。

从图４可以看出，６个工况中的主、被动机构均可以在电磁吸力和斥力的作用下完成近距离的对接和分离。

在主、被动机构的对接过程中可以看出，在工况３、工况４、工况５的初始条件下，其主、被动机构的对接距离与标准工况下的对接距离最为接近，说明对接锁紧机构对在此初始条件的调整作用显著；而在工况１和工况２的初始条件下，其主、被动机构对接距离与标准工况下的对接距离相差较大，对接锁紧机构需较长的时间才能将主、被动机构存在的位置容差和姿态容差调整到预定的位置，在主动机构解锁释放阶段，５个工况下的运动轨迹变化趋势相近，说明对接机构在对接完成后能完全将所有不同工况下的主、被动机构调整到预定位置，具有相近的运动轨迹。

图４　主、被动机构对接位置４．２　主动机构与被动机构对接过程的接触力从主动机构的工作原理可知，主动机构是在进入锥形对接口后与被动机构的被动棘爪进行对接工作，主动机构上的主动棘爪与被动棘爪进行接触，不同工况条件下，主动机构与被动机构之间的接触力大小如图５所示。

从图５中可以看出：主动机构、被动机构接触时都有一个瞬时的最大接触力，这是因为刚开始主动机构的速度有点快导致主动机构与被动机构接触力存在瞬时的最大力，由于对接后主动与被动机构存在着间隙导致从０．４ｓ～１．４ｓ时间段内存在接触力，主动机构在工况１和工况２的初始条件下的对接过程最大接触力较小，这是因为主动机构与锥形对接口的接触导致主动机构与被动机构的接触力降低。

主动机构与被动机构在５个工况下接触力的最大值是瞬时的，而稳定的接触力为２００Ｎ，接触力在可承受的范围内。

５　结论对空间电磁对接的６种不同工况分别进行仿真，得出对接机构在对接完成后能将所有不同条件下的主动机构调整到预定位置，得出相似的运动轨迹。

分析对比得出主动机构与被动机构在６种不同工况下的稳定接触力大小为２００Ｎ，在可承受的范围内。

仿真分·１３·　２０１９年第２期 孙朋，等：一种在轨空间对接机构动力学分析析结果为电磁对接机构的细化和优化提供了依据。

图５　不同工况下主动机构与被动机构对接过程的接触力参考文献：［１］　张崇峰．航天器对接机构［Ｍ］．北京：科学出版社，２０１５．［２］　张崇峰，刘志．空间对接机构技术综述［Ｊ］．上海航天，２０１６，３３（５）：１－１１．［３］　周建平．空间交会对接技术［Ｍ］．北京：国防工业出版社，２０１３．［４］　王龙．空间电磁对接动力学和控制研究［Ｄ］．长沙：国防科学技术大学，２００８：１－４．［５］　张壮．空间对接半物理仿真平台研究［Ｄ］．上海：上海交通大学，２０１４：１－８．［６］　高碧祥．一种在轨装配模块设计与分析［Ｄ］．太原：中北大学，２０１７：３６－６４．［７］　金薇．空间对接机构仿真运动平台的实验分析与研究［Ｄ］．武汉：武汉工程大学，２０１７：１０－１６［８］　解增辉．弱撞击空间对接机构及其主动柔顺控制的研究［Ｄ］．哈尔滨：哈尔滨工业大学，２０１７：２－７．［９］　吴义忠，宋遒志，陈立平．空间对接机构结构锁动力学分析［Ｊ］．空间科学学报，２００１，２９（９）：８４－８６．［１０］Ａｌｅｓｓａｎｄｒｏ　Ｃａｖｉｎａｔｏ．Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆ　ａ　ｔｅｔｈｅｒｅｄ　ｓｏｆｔ　ｄｏｃｋｉｎｇ　ｓｅｔｕｐ　ｆｏｒ　ｍｉｃｒｏｇｒａｖｉｔｙ　ｔｅｓｔｉｎｇｓ［Ｄ］．Ｐａｄｏｖａ：Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｐａｄｏｖａ，２０１５－２０１６．［１１］Ｘｕ　Ｊｉａｎ，Ｌｉ　Ｑｉａｎｇ，Ｙａｎｇ　Ｚｈｅｎ．Ｒｏｌｌｅｒ　ｄｙｎａｍｉｃ　ａｎａｌｙｓｉｓａｎｄ　ｐｕｒｅ　ｒｏｌｌｉｎｇ　ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ　ｆｏｒ　ｏｎｅ　ｔｙｐｅ　ｈｉｇｈ　ｓｐｅｅｄ　ｃｙｌｉｎｄｅｒｃａｍ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｔｈｅ　Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｓｏｃｉｅｔｙ　ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ，２０１６，３７（４）：３１５－３２３．［１２］Ｅｎｄａ　ＭｃＫｅｎｎａ．ＡＲＣＡＤＥ　Ｒ２ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｏｎ　ｂｏａｒｄ　ＢＥＸ－ＵＳ　１７ｓｔｒａｔｏｓｐｈｅｒｉｃ　ｂａｌｌｏｏｎ［Ｄ］．Ｓｕｒｒｅｙ：Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆＳｕｒｒｅｙ，２０１５．［１３］Ｊａｍｅｓ　Ｌ　Ｌｅｗｉｓ，Ｒｏｂｅｒｔｓｏｎ　Ｂｒａｎｄａｎ，Ｍｏｎｔｙ　Ｂ　Ｃａｒｒｏｌｌ，ｅｔａｌ．Ｌｏｗ－ｉｍｐａｃｔ　ｍａｔｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ｄｏｃｋｉｎｇ　ｓｐａｃｅｃｒａｆｔ：Ｕ－ｎｉｔｅｄ　Ｓｔａｔｅｓ，ＵＳ　７５４３７７９Ｂ１［Ｐ］．［２００９－０６－０９］．［１４］于伟，杨雷，曲广吉．空间对接机构动力学仿真分析［Ｊ］．动力学与控制学报，２００４（２）：３８－４２．［１５］朱朝晖，励吉鸿．空间对接机构自动对接控制方案［Ｊ］．载人航天，２０１１（４）：２４－２７．Ｄｙｎａｍｉｃ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ａ　Ｄｏｃｋｉｎｇ　Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｉｎ　ＯｒｂｉｔＳＵＮ　Ｐｅｎｇ，ＸＩＥ　Ｚｈｉ－ｊｉａｎ，ＧＡＯ　Ｂｉ－ｘｉａｎｇ，ＷＵ　Ｇｕｏ－ｌｉａｎｇ（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｏｒｔｈ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ，Ｔａｉｙｕａｎ　０３００５１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｐａｃｅ　ｄｏｃｋｉｎｇ　ｉｓ　ａ　ｓｐａｃｅ　ｓｅｒｖｉｃｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｗｈｉｃｈ　ｈａｓ　ａｔｔｒａｃｔｅｄ　ｍｏｒｅ　ａｎｄ　ｍｏｒｅ　ａｔｔｅｎｔｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆｉｅｌｄ　ｏｆ　ａｅｒｏｓｐａｃｅ．Ｓｉｎｃｅｔｈｅ　ｔｈｒｕｓｔｅｒ　ｉｓ　ｃｌｏｓｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｌａｓｔ　ｓｔａｇｅ　ｏｆ　ｓｐａｃｅ　ｄｏｃｋｉｎｇ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｏｃｋｉｎｇ　ｏｆ　ｔｗｏ　ｓｐａｃｅｃｒａｆｔｓ　ｒｅｌｉｅｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｉｎｅｒｔｉａ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｐａｃｅｃｒａｆｔｓ，ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｃａｌｌｅｄ　ｒｉｇｉｄ　ｓｐａｃｅ　ｄｏｃｋｉｎｇ，ｉｔ　ｉｓ　ｓｈｏｒｔ　ｏｆ　ｅｍｅｒｇｅｎｃｙ　ｍｅａｓｕｒｅｓ．Ｔｏ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｓｏｌｖｅ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｉｎ　ｒｉｇｉｄ　ｓｐａｃｅ　ｄｏｃｋｉｎｇ，ａ　ｎｅｗｔｙｐｅ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｌｏｃｋｉｎｇ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ａｎｄ　ａ　ｓｅｒｉｅｓ　ｏｆ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｉｓｃｏｎｄｕｃｔｅｄ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｐａｃｅ　ｄｏｃｋｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｎｅｗ　ｔｙｐｅ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｄｏｃｋｉｎｇ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ；ｄｙｎａｍｉｃ　ａｎａｌｙ櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆ｓｉｓ（上接第２９页）Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　Ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｉｎＥｎｔｅｒｐｒｉｓｅｓ′Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ＣｅｎｔｅｒＷＵ　Ｊｉａｎ－ｈｕａ（Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｅｎｔｅｒ，Ｔａｉｙｕａｎ　Ｈｅａｖｙ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｔａｉｙｕａｎ　０３００２４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓ　ａ　ｓｏｕｒｃｅ　ｏｆ　ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅｓ，ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｃｅｎｔｅｒ　ｉｓ　ｖｅｒｙｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅｓ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｐｌａｔｆｏｒｍ　ｆｒｏｍ　ｔｈｒｅｅ　ａｓｐｅｃｔｓ：ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ｂｕｓｉｎｅｓｓ　ｄｅｓｉｇｎ，ｓｅｒｖｅｒ　ｄｅｐｌｏｙｍｅｎｔ　ｄｅｓｉｇｎ，ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ　ｄｅｓｉｇｎ．Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｎｇｉｎｆｏｒｍａｔｉｚａｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｃｅｎｔｅｒ，ｗｅ　ｈａｓ　ｒｅａｌｉｚｅｄ　ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ｂｕｓｉｎｅｓｓ　ｂｙｍｅａｎｓ　ｏｆ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｚａｔｉｏｎ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｃｅｎｔｅｒ；ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ；ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ｐｌａｔｆｏｒｍ·２３·机械工程与自动化 ２０１９年第２期　。