空间站实验舱对接与转位机构分系统技术及研制.pdf
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1、第 40 卷 2023 年第 5 期上海航天(中英文)AEROSPACE SHANGHAI(CHINESE&ENGLISH)空间站实验舱对接与转位机构分系统技术及研制苑会领1,崔宇新2,沈晓鹏1,刘艳1,王治易1,张雷1,张崇峰2,施飞舟1(1.上海宇航系统工程研究所,上海 201109;2.上海航天技术研究院,上海 201109)摘要:受运载工具运载能力的限制,大型空间站须在太空对接组装。对接与转位机构在空间站组建过程中具有关键作用,用于实验舱与核心舱的对接及转位,实现空间站实验舱的组装。空间站实验舱对接与转位机构分系统是实施对接与转位任务的主动端,为复杂的空间机电热一体化机构产品,在正常模
2、式下,由主动端实施分系统所有动作。在研制过程中,分系统充分论证系统方案,集中攻克关键技术,充分试验产品样机,并先后在轨圆满完成了实验舱和实验舱的对接与转位任务。论述空间站实验舱对接与转位机构分系统的研制技术,对后续空间机构产品研制具有启示作用。关键词:空间站;实验舱;对接与转位机构;技术;研制中图分类号:V 423.7 文献标志码:A DOI:10.19328/ki.20968655.2023.05.010Technology and Development of Sub-System of Docking and Transposition Mechanism for Space Stati
3、on Laboratory ModuleYUAN Huiling1,CUI Yuxin2,SHEN Xiaopeng1,LIU Yan1,WANG Zhiyi1,ZHANG Lei1,ZHANG Chongfeng2,SHI Feizhou1(1.Aerospace System Engineering Shanghai,Shanghai 201109,China;2.Shanghai Academy of Space Technology,Shanghai 201109,China)Abstract:Limited by the carrying capacity of the vehicl
4、e,the large-scale space station must be docked and transposed in space.The docking and transposing mechanisms play a key role in the construction of the space station.They are used for the docking and transposing between the lab modules and the core module so as to achieve the assembly of the space
5、station modules.The docking and transposing mechanism subsystem of the space station is the active end of the docking and transposing task.It is a product of the complex integrated space mechatronic thermal mechanism.All the actions of the subsystem are carried out by the active end under the normal
6、 mode.In the development process,the system scheme is fully demonstrated,the key technologies are focused,and the product prototype is fully tested.The docking and transposing tasks of the lab modules I and II are successfully completed in orbit.In this paper,the development technology of the dockin
7、g and transposing mechanism subsystem of the space station is discussed,which has important implications for the development of the subsequent space mechanism products.Key words:space station;lab module;docking and transposing mechanism;technology;development0引言 空间站技术代表航天技术最全面、复杂、先进和综合的水平,建造大型空间站也是我
8、国载人航天工程的目标之一。受运载工具运载能力的限制,大型空间站须在太空对接组装1-3。直接侧向对接在空间难以实现,原因为:与轴向对接产生通过轨道收稿日期:20230504;修回日期:20230829作者简介:苑会领(1976),男,研究员,硕士,主要研究方向为空间机构系统设计。作者简介:刘 艳(1981),女,高级工程师,硕士,主要研究方向为空间机构系统设计及可靠性设计。71第 40 卷 2023 年第 5 期上海航天(中英文)AEROSPACE SHANGHAI(CHINESE&ENGLISH)站质心的对接冲击力不同,侧向对接产生冲击力的作用点偏离轨道站质心,产生的旋转力矩对交会对接姿态稳定
9、和控制带来不利的影响;侧向对接受到轨道站伸出物,如太阳帆板的阻碍;侧向对接还需增加信号灯、雷达天线等附加装置4。为了实现侧向对接,一种解决方法是先将航天器对接到轴向,再利用转位机构将航天器转移到侧向对接口,实现侧向对接,“和平”号空间站即采用此种方案5。另一种侧向对接口对接技术是利用机械臂,直接捕获并抓取航天器到侧向对接口,再进行对接,现国际空间站采用该对接方式6-7。调研、分析上述 2种组建方案后,转位机构与机械臂相比结构简单,功能单一。中国空间站由核心舱、实验舱和实验舱这 3个模块组成,在我国空间站项目建设计划初期,应用转位机构实现转位较为经济、稳妥、可靠。目前,我国机械臂开展了舱段转位过
10、程跟踪控制及到位精度的技术分析工作8,预计在空间站扩展阶段,可直接采用机械臂组装建造。为了避免实验舱转位前后舱体姿态发生翻转,创新性地提出平面式转位机构,即实验舱在同一平面内进行转位,转位前后舱体姿态不发生变化。既有利于各类对地敏感设备的优化配置,又能降低转位过程对组合体的姿态扰动。对接与转位机构分系统,是为实现空间站对接与转位的组装建造任务需求而研制。本文介绍了我国空间站实验舱对接与转位机构分系统对接机构和转位机构的设计技术及其研制过程,其中对接机构基本继承 2 期对接机构技术状态,而转位机构为全新设计和研制,因此侧重介绍对接与转位过程的系统设计,以及转位机构产品的研制情况。1对接与转位机构
11、分系统设计 1.1对接与转位机构分系统组成对接与转位机构分系统由对接机构及转位机构组成,其中对接机构为相互配合的异体同构周边式对接机构,转位机构为相互配合的主动端转臂和被动端基座。核心舱配置被动端对接机构、转位机构基座、对接及转位控制器;实验舱配置主动端对接机构、转位机构转臂、对接控制器、对接驱动器和转位控制器。对接机构和转位机构产品如图1、图2所示。主动对接机构机械组件模装如图 3所示。转位机构转臂模装如图 4所示。图 1异体同构周边式对接机构主被动端产品Fig.1Active and passive end products of the isomorphic peripheral doc
12、king mechanism图 2转位机构转臂与基座产品Fig.2Rotary arm and base products of the transposing mechanism72第 40 卷 2023 年第 5 期苑会领,等:空间站实验舱对接与转位机构分系统技术及研制其中,对接机构机械组件的对接环和对接框,采用 6根丝杠、丝杠联系组合、差动组合等形成的捕获传动缓冲子系统连接9。捕获传动缓冲子系统功能包括捕获、缓冲校正、推出/拉近等。其构成主要有:捕获锁、丝杠联系组合、差动组合、丝杠安装组合、驱动组合等。捕获锁、丝杠联系组合(上支点)和捕获传感器组件安装于对接环上,对接环为承载结构件,在对
13、接过程中起捕获导向和传递能量的作用;差动组合和驱动组合、丝杠安装组合(下支点)安装于对接框内,上、下支点通过丝杠连接,形成完整的传动链。连接密封分离子系统功能主要包括刚性连接、密封、分离、应急分离和电路连通等。其构成主要包括:对接锁系、密封圈、电路浮动断接器、分离推杆和密封圈等。对接框也是重要承载结构件,为对接锁系、差动组合、分离推杆、密封圈、电路浮动断接器和对接面上的传感器等提供连接接口。转臂由捕获连接机构、肩关节驱动机构、腕关节驱动机构、臂杆组件、支架组件、齿轮支架、头部和中部压紧机构等组成。其中,捕获连接机构用于实现转位机构转臂与基座之间的捕获、连接、解锁和分离;肩关节驱动机构和腕关节驱
14、动机构用于驱动实验舱的转位,实现舱体的启动、转动、缓冲和制动。头部和中部压紧机构用于压紧转臂发射段。对接机构控制器、驱动器和转位机构控制器安装于实验舱工作舱内部,承担指令传输、驱动控制、参数采集等任务,控制和驱动实验舱分系统完成对接及转位任务。信号交互过程如图 5所示。对接控制器的主要功能是完成自动控制,根据实验舱自动控制指令,按机械组件当前状态进行逻辑分析处理,向驱动器发出机构动作的控制信号;驱动器接收到控制信号后,驱动电机或电磁拖动机构动作,完成对机械组件的运动控制;在转位组装段,由转位控制器控制驱动实验舱转位机构转臂执行部件动作实现实验舱转位至核心舱的节点舱侧向停泊口。转位控制器与主动对
15、接控制器通过集电极(Open Collector,OC)门进行信号交互,完成转位机构转臂与对接机构的协同控制。1.2时序及工作过程设计实验舱对接与转位机构分系统的工作过程包图 5对接机构控制系统Fig.5Control system diagram of the docking mechanism图 3主动对接机构机械组件组成Fig.3Mechanical component diagram of the active docking mechanism图 4转臂组成Fig.4Composition diagram of the rotary arm73第 40 卷 2023 年第 5 期上海
16、航天(中英文)AEROSPACE SHANGHAI(CHINESE&ENGLISH)括轴向交会对接过程和转位过程,其中轴向交会对接过程包括对接准备、接触、捕获、缓冲校正、强制校正、对接环拉近、对接锁锁紧等过程10。整个对接过程在 15 min内完成,过程如图 6所示。在组合体状态的工作项目完成后,择机完成转位组建。实验舱转位过程是舱体大角度转动的过程,对接机构与转位机构协同配合交互动作来实现11。在准备转位前,设置对接机构和转位机构状态。转位开始后,首先,轴向对接机构解锁、分离、推出实验舱,在对接机构保护连接的状态下,转位机构转臂与基座捕获连接;其次,对接机构轴向解锁对接环收回;然后,转位机构
17、腕关节和肩关节接续动作,完成舱体转动动作。舱体转动到位稳定后,对接机构通过推出对接环与侧向对接口对接机构实现捕获,转臂与基座解锁、分离后,对接机构完成刚性连接及复位。整个转位过程在60 min内完成,过程如图7所示。1.3设计方案为了完成对接与转位任务,对接机构需具有对接机构捕获缓冲功能和连接密封分离功能,与转位机构或机械臂协同完成舱段转位功能。转位机构转臂需具有捕获、连接和解锁功能,关节驱动大惯量舱体启动、驱动和缓冲制动功能,与对接机构协同完成舱段转位功能。1.3.1对接机构捕获缓冲功能捕 获 传 动 缓 冲 功 能 包 括:捕 获、缓 冲 校 正、推出/拉近等。对接环是承载结构件,为捕获锁
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