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摘 要：为实现对国际通用且尺寸不同规格卫星的捕获和救援，设计了一种宽适应性绳爪式空间对接机构，并基于ADAMS建立了动力学模型，对机构的动态性能进行了仿真计算研究。研究表明：目标卫星运动速度在150mm/s以内时，对接机构将目标卫星拉近并抱合锁紧过程中，星箭法兰与滑座接触力不超过175N，冲击力较小，不会造成机构损伤和变形，机构设计合理可行，具备一定的工程实用价值。
关键词：卫星;捕获;绳;空间对接机构;宽适应性;刚体动力学
中图分類号：V423 文献标识码：A 文章编号：
0 引言
在轨维护和维修、在轨加注、在轨功能扩展和软件升级等在轨服务任务日益成为我国卫星发展的重要任务[1]。空间对接机构用于实现两个航天器之间的多次连接、保持连接和分离[2]。对接机构按照布局形式分为中心布局式和周边布局式。周边布局式在中心保留了转移通道，具有通用接口，是一种载人航天器上常用的对接接口。李永振[2]等提出了一种基于凸轮曲线及连杆机构的适应单一直径的微信对接装置。欧空局“碎片清理”项目成功发射“鱼叉”，命中目标卫星并将其拖至发射平台[3]。徐文福[4]等提出了一种空间机器人捕获目标的协调规划与控制方法。目前设计的周边布局式对接机构，一般仅针对单一直径目标卫星，通用性较差。
1工作原理
1.1 结构组成
如图1所示，对接机构主要由机架，对接定位装置，传动装置，导轨及导轨安装座，抱合单元4个部分构成。剔除六边形框架后，整个对接机构重量为25kg，与仅能抱合单一直径星箭法兰的对接机构质量相当。
对接定位装置均匀分布在直径1500mm的圆上，用于各舱对接时的定位，兼有电器插拔接口的功能。传动装置用于将动力舱输出的动力传递给抱合单元。导轨及安装座为抱合单元的运动轨道，在圆周上120°均布。抱合单元是实现捕获并抱紧法兰，实现各舱之间连接和紧固的最终执行机构，抱合单元在导轨上的有效运动形成为550mm，能实现对国际通用的最大径为φ959mm、φ1970mm及之间的星箭法兰实施抱合锁紧。
抱合单元主要由滑座、绳座、钢丝绳、绳轮、弹簧2、阻尼器、小手指、滑座本体、弹簧导杆、弹簧1、丝杠、丝杠螺母1、丝杠螺母2、螺母座1、螺母座2、定位座、定位销、弹簧3、外扣手指、连杆、拉伸弹簧1、换向齿轮、齿条、顶杆、顶杆弹簧、滚轮、内撑手指、拉伸弹簧1、等组成。（见图2）
（1）螺母座1、螺母座2和螺母座3与导轨滑块通过螺栓固定连接;螺母座1和螺母座与丝杠螺母通过螺栓固定连接;螺母座3与滑座固定连接;
（2）弹簧2一端与滑座本体接触，另一端与小手指接触;通过三个绳轮的传递，钢丝绳一端固定在绳座上，另一端与小手指固定连接;
（3）弹簧3一端与定位销接触，另一端与封盖接触，封盖通过螺栓与螺母座3固定连接;
（4）定位座通过螺栓与导轨安装座固定连接在预定位置;共3×4个;
（5）齿轮、纵滑本体、外扣手指、内撑手指均通过销轴套接在滑座上;
（6）顶杆套接在齿条的方孔内，顶杆弹簧一端与齿条接触，另一端与顶杆接触;
（7）定位销套装在螺母座的方孔内;
（8）凸轮板、绳座、齿条安装在滑座上的T型槽内，可沿滑座滑动;
（10）小手指安装在纵滑本体的圆形槽内，可在滑座本体上滑动;
1.2动作原理
对接机构获取捕获卫星信息，确认目标卫星星箭法兰尺寸。确认星箭法兰距离滑座刚性支撑面35mm时，滑座及滑座上的组件在丝杠螺母1和丝杠螺母2的带动下，运动至对应的定位座处。传动装置带动丝杠转动，在丝杠的驱动下，丝杠螺母1和丝杠螺母2一起向飞行器尾端运动，丝杠螺母2依次带动螺母座1、凸轮板运动，在凸轮的作用下纵滑本体及小手指绕其旋转轴向飞行器中心转动，将星箭法兰进行归正。
丝杠螺母1和丝杠螺母2继续向飞行器尾端运动，推动凸轮板继续运动，与绳座接触后推动绳座向飞行器尾端运动，通过钢丝绳，在小手指的作用下将法兰拉近滑座刚性支撑面，直至与安装在滑座上的防跳销接触，将防跳销压入安装面内。小手指和星箭法兰通过防跳销所在位置后，防跳销在复位弹簧的作用下迅速复位，此时，星箭法兰被限制在防跳销和滑座组成的锁紧区域内，在滑座位置不发生变化时，目标卫星与对接机构不会发生脱离。
星箭法兰被限制在防跳销和滑座组成的锁紧区域后，在传动装置和丝杠带动下，丝杠螺母1和丝杠螺母2向飞行器中心运动，纵滑本体、小手指、绳座和凸轮板在拉伸弹簧1和弹簧2的作用下复位。当丝杠螺母1和丝杠螺母2运动至起始位置时，丝杠螺母2和螺母座2开始接触齿条，并以此带动换向齿轮、连杆和外扣手指，使外扣手指向滑座刚性支撑面运动，将法兰压紧在滑座刚性支撑面上。
另一方面，齿条将通过顶杆推动内撑手指，使内撑手指压紧星箭法兰内边缘。致至此，完成对目标卫星星箭法兰的刚性捕获和锁紧。
对目标卫星释放时，将以上动作反向实施即可。
应用刚体动力学仿真软件对对接机构抱合单元抱合锁紧动作进行仿真，弹簧、钢丝绳、丝杠螺母副均采用软件自带的模型。固定螺钉、销等均用固定副进行了替代。仿真为无重力条件下进行，各刚体接触面摩擦系数依材料的不同设置在0.05或0.1之间不等。
3 仿真结果及分析
仿真结果如图4、图5、图6所示，在1s内，抱合单元完成了对目标卫星星箭法兰的归正，拉至锁紧区内，锁紧三个预定的关键动作。如图7所示，抱合锁紧过程中星箭法兰与滑座接触力不超过175N，冲击力较小，不会造成机构损伤和变形。
如图8所示，在对接机构将目标卫星拉近并锁紧的过程中，目标卫星运动速度在150mm/s内，运动较为平稳，未出现较大速度和加速度波动，目标卫星内部元器件受到的冲击力较小。
如图9所示，在抱合锁紧过程中，纵滑本体、外扣手指、内撑手指等关键部件角速度在2250°/s（约合6.3r/min），未出现较大角速度和速度波动，机构运动平稳。
用于带动纵滑本体对星箭法兰实施归正的钢丝绳起到了一定抗冲击，抗过载的作用。初步认为，本文设计的空间对接机构能较好的完成预定功能。
4 结论
在前人研究的基础上，提出了一种新的宽适应性绳爪式空间对接机构。对构件的对接机构进行了多刚体动力学分析，获取并对比了关键部件的运动特性，分析认为，该对接机构具有质量轻、抗过载能力强、能宽适应刚性捕等优点，具有一定的工程实用价值。
参考文献：
[1] 侯文伟，杨臻，高碧祥等. 一种卫星对接装置空间凸轮机构传动分析验证[J]. 火力与指挥控制，2019，44（04）：74-77+81.
[2] 张崇峰，陈宝东， 郑青云等. 航天器对接机构[M]. 北京： 科学出版社.2016.1.
[3] 李永振，杨臻，曲普等.一种卫星对接环锁紧与释放装置设计与分析[J].机械设计，2014，31（09）：63-66.
[4] 欧空局“鱼叉”清理太空垃圾试验成功，可成超级武器破坏对手卫星[J].空间碎片研究，2019，19（01）：48.
[5] 徐文福，李成，梁斌等.空间机器人捕获运动目标的协调规划与控制方法[J].自动化学报，2009，35（09）：1216-1225.
（1. 湖南国防工业职业技术学院，湖南 湘潭 411207;2. 湖南国防工业职业技术学院，湖南 湘潭 411207;3. 内蒙古北方重工业集团有限公司，内蒙 古包头014000）
关键词：卫星;捕获;绳;空间对接机构;宽适应性;刚体动力学
中图分類号：V423 文献标识码：A 文章编号：
0 引言
在轨维护和维修、在轨加注、在轨功能扩展和软件升级等在轨服务任务日益成为我国卫星发展的重要任务[1]。空间对接机构用于实现两个航天器之间的多次连接、保持连接和分离[2]。对接机构按照布局形式分为中心布局式和周边布局式。周边布局式在中心保留了转移通道，具有通用接口，是一种载人航天器上常用的对接接口。李永振[2]等提出了一种基于凸轮曲线及连杆机构的适应单一直径的微信对接装置。欧空局“碎片清理”项目成功发射“鱼叉”，命中目标卫星并将其拖至发射平台[3]。徐文福[4]等提出了一种空间机器人捕获目标的协调规划与控制方法。目前设计的周边布局式对接机构，一般仅针对单一直径目标卫星，通用性较差。
1工作原理
1.1 结构组成
如图1所示，对接机构主要由机架，对接定位装置，传动装置，导轨及导轨安装座，抱合单元4个部分构成。剔除六边形框架后，整个对接机构重量为25kg，与仅能抱合单一直径星箭法兰的对接机构质量相当。
对接定位装置均匀分布在直径1500mm的圆上，用于各舱对接时的定位，兼有电器插拔接口的功能。传动装置用于将动力舱输出的动力传递给抱合单元。导轨及安装座为抱合单元的运动轨道，在圆周上120°均布。抱合单元是实现捕获并抱紧法兰，实现各舱之间连接和紧固的最终执行机构，抱合单元在导轨上的有效运动形成为550mm，能实现对国际通用的最大径为φ959mm、φ1970mm及之间的星箭法兰实施抱合锁紧。
抱合单元主要由滑座、绳座、钢丝绳、绳轮、弹簧2、阻尼器、小手指、滑座本体、弹簧导杆、弹簧1、丝杠、丝杠螺母1、丝杠螺母2、螺母座1、螺母座2、定位座、定位销、弹簧3、外扣手指、连杆、拉伸弹簧1、换向齿轮、齿条、顶杆、顶杆弹簧、滚轮、内撑手指、拉伸弹簧1、等组成。（见图2）
（1）螺母座1、螺母座2和螺母座3与导轨滑块通过螺栓固定连接;螺母座1和螺母座与丝杠螺母通过螺栓固定连接;螺母座3与滑座固定连接;
（2）弹簧2一端与滑座本体接触，另一端与小手指接触;通过三个绳轮的传递，钢丝绳一端固定在绳座上，另一端与小手指固定连接;
（3）弹簧3一端与定位销接触，另一端与封盖接触，封盖通过螺栓与螺母座3固定连接;
（4）定位座通过螺栓与导轨安装座固定连接在预定位置;共3×4个;
（5）齿轮、纵滑本体、外扣手指、内撑手指均通过销轴套接在滑座上;
（6）顶杆套接在齿条的方孔内，顶杆弹簧一端与齿条接触，另一端与顶杆接触;
（7）定位销套装在螺母座的方孔内;
（8）凸轮板、绳座、齿条安装在滑座上的T型槽内，可沿滑座滑动;
（10）小手指安装在纵滑本体的圆形槽内，可在滑座本体上滑动;
1.2动作原理
对接机构获取捕获卫星信息，确认目标卫星星箭法兰尺寸。确认星箭法兰距离滑座刚性支撑面35mm时，滑座及滑座上的组件在丝杠螺母1和丝杠螺母2的带动下，运动至对应的定位座处。传动装置带动丝杠转动，在丝杠的驱动下，丝杠螺母1和丝杠螺母2一起向飞行器尾端运动，丝杠螺母2依次带动螺母座1、凸轮板运动，在凸轮的作用下纵滑本体及小手指绕其旋转轴向飞行器中心转动，将星箭法兰进行归正。
丝杠螺母1和丝杠螺母2继续向飞行器尾端运动，推动凸轮板继续运动，与绳座接触后推动绳座向飞行器尾端运动，通过钢丝绳，在小手指的作用下将法兰拉近滑座刚性支撑面，直至与安装在滑座上的防跳销接触，将防跳销压入安装面内。小手指和星箭法兰通过防跳销所在位置后，防跳销在复位弹簧的作用下迅速复位，此时，星箭法兰被限制在防跳销和滑座组成的锁紧区域内，在滑座位置不发生变化时，目标卫星与对接机构不会发生脱离。
星箭法兰被限制在防跳销和滑座组成的锁紧区域后，在传动装置和丝杠带动下，丝杠螺母1和丝杠螺母2向飞行器中心运动，纵滑本体、小手指、绳座和凸轮板在拉伸弹簧1和弹簧2的作用下复位。当丝杠螺母1和丝杠螺母2运动至起始位置时，丝杠螺母2和螺母座2开始接触齿条，并以此带动换向齿轮、连杆和外扣手指，使外扣手指向滑座刚性支撑面运动，将法兰压紧在滑座刚性支撑面上。
另一方面，齿条将通过顶杆推动内撑手指，使内撑手指压紧星箭法兰内边缘。致至此，完成对目标卫星星箭法兰的刚性捕获和锁紧。
对目标卫星释放时，将以上动作反向实施即可。
应用刚体动力学仿真软件对对接机构抱合单元抱合锁紧动作进行仿真，弹簧、钢丝绳、丝杠螺母副均采用软件自带的模型。固定螺钉、销等均用固定副进行了替代。仿真为无重力条件下进行，各刚体接触面摩擦系数依材料的不同设置在0.05或0.1之间不等。
3 仿真结果及分析
仿真结果如图4、图5、图6所示，在1s内，抱合单元完成了对目标卫星星箭法兰的归正，拉至锁紧区内，锁紧三个预定的关键动作。如图7所示，抱合锁紧过程中星箭法兰与滑座接触力不超过175N，冲击力较小，不会造成机构损伤和变形。
如图8所示，在对接机构将目标卫星拉近并锁紧的过程中，目标卫星运动速度在150mm/s内，运动较为平稳，未出现较大速度和加速度波动，目标卫星内部元器件受到的冲击力较小。
如图9所示，在抱合锁紧过程中，纵滑本体、外扣手指、内撑手指等关键部件角速度在2250°/s（约合6.3r/min），未出现较大角速度和速度波动，机构运动平稳。
用于带动纵滑本体对星箭法兰实施归正的钢丝绳起到了一定抗冲击，抗过载的作用。初步认为，本文设计的空间对接机构能较好的完成预定功能。
4 结论
在前人研究的基础上，提出了一种新的宽适应性绳爪式空间对接机构。对构件的对接机构进行了多刚体动力学分析，获取并对比了关键部件的运动特性，分析认为，该对接机构具有质量轻、抗过载能力强、能宽适应刚性捕等优点，具有一定的工程实用价值。
参考文献：
[1] 侯文伟，杨臻，高碧祥等. 一种卫星对接装置空间凸轮机构传动分析验证[J]. 火力与指挥控制，2019，44（04）：74-77+81.
[2] 张崇峰，陈宝东， 郑青云等. 航天器对接机构[M]. 北京： 科学出版社.2016.1.
[3] 李永振，杨臻，曲普等.一种卫星对接环锁紧与释放装置设计与分析[J].机械设计，2014，31（09）：63-66.
[4] 欧空局“鱼叉”清理太空垃圾试验成功，可成超级武器破坏对手卫星[J].空间碎片研究，2019，19（01）：48.
[5] 徐文福，李成，梁斌等.空间机器人捕获运动目标的协调规划与控制方法[J].自动化学报，2009，35（09）：1216-1225.
（1. 湖南国防工业职业技术学院，湖南 湘潭 411207;2. 湖南国防工业职业技术学院，湖南 湘潭 411207;3. 内蒙古北方重工业集团有限公司，内蒙 古包头014000）