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摘 要：基于中小型航天器对接
过程可以考虑在对接杆部分实现缓冲的思想，改变对接杆构型，采用变形能力大的对接杆提高对接冲击的缓冲性能.通过Pro/ENGINEER与MSC Patran和MSC Dytran的配合使用，对直杆、弓形杆和球形杆等3种构型的对接杆进行建模，仿真分析其在正碰和斜碰情形下的缓冲性能，并通过改变碰撞初始相对速度讨论初始条件对缓冲性能的影响.具有较大变形能力的对接杆可以明显提高对接冲击的缓冲性能；变形能力越大的杆构型对初始相对条件改变的适应能力越强.
关键词：中小型航天器； 對接杆； 碰撞缓冲； 空间柔性对接； Pro/ENGINEER； MSC Patran； MSC Dytran
中图分类号： V526； V414.3； TB115.2 文献标志码： A
Buffering characteristic analysis on docking probe ofmedium and small spacecraft based on joint modeling
ZHANG Xiang, HUANG Yiyong, HAN Wei, CHEN Xiaoqian
(College of Aerospace and Materials Engineering, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)
Abstract：
In the docking process of medium and small spacecrafts, it is feasible to implement good buffering by docking probe, so the configuration of docking probe is changed to enhance its defor
mation capacity and achieve the buffering characteristic of docking impact. By combining Pro/ENGINEER with MSC Patran and MSC Dytran, the modeling is performed on three kinds of probes including straight probe, bow probe, and spherical probe, the buffering characteristics are simulated and analyzed under frontal collision and oblique collision, and the effect of initial conditions on buffering characteristics is discussed by changing initialrelative velocity of collision. The probes with better deformation capacity canimprovethebuffering characteristics in the docking process and the probes with good deformation capacityperformgood adaption to the change of initial conditions.
Key words：
medium and small spacecraft; docking probe; impact buffering; space flexible do
cking; Pro/ENGINEER; MSC Patran; MSC Dytran
0 引 言
自20世纪60年代人类首次实现
在轨对接以来，人们对接机构的研究一直受到重视.〈sup>[1]〈/sup>锥-杆式对接机构是前苏联研制的最早的对接机构，出现于1967年，由分别安装在追踪航天器和目标航天器上的主动件与被动件构成.在主动件的通道盖上装有能伸缩的传动机构——连接杆，被动件的盖子上设计有接纳锥，二者配合完成对接.〈sup>[2]〈/sup>对接过程必然伴随碰撞冲击效应，目前主要采用缓冲机构对碰撞冲击进行缓冲〈sup>[3]〈/sup>，对于中小型航天器的对接过程，可考虑直接在对接杆部分实现缓冲〈sup>[4]〈/sup>，通过改变对接杆构型，采用变形能力更大的对接杆结构实现对碰撞冲击的缓冲.
针对碰撞问题，目前通用的做法是采用有限元建模与瞬态动力学分析软件MSC Patran和MSC Dytran〈sup>[5]〈/sup>进行仿真分析.MSC Patran和MSC Dytran具有强大的有限元网格划分与瞬态动力学分析能力，但MSC Patran在前处理过程中的几何模型构建能力有限，次于通用的三维CAD软件.三维画图软件Pro/ENGINEER的参数化〈sup>[6]〈/sup>实现软件间的配合使用，为解决复杂几何模型构建问题提供一种可行途径.
本文通过将Pro/ENGINEER与MSC Patran和MSC Dytran配合使用，实现对复杂对接杆模型的建模与空间对接碰撞的仿真分析.通过比较3种构型对接杆缓冲对接碰撞冲击效果的性能差异，为设计性能更优的柔性对接杆提供参考.
2 模型仿真结果及分析
2.1 正碰情形
正碰是指在对接过程中，对接杆端的轴线方向与对接锥轴线方向重合，对接杆直接进入锁紧装置.该情形是对接过程中的特殊情况，需要十分精准的控制技术，一般情况下很难做到.正碰情形碰撞冲击力时间历程曲线比较见图6
可知，在3种碰撞冲击力时间历程曲线中，球形杆与弓形杆碰撞力峰值较普通圆柱直杆明显减小，碰撞持续时间明显增加；球形杆较弓形杆的碰撞冲击力峰值更小，碰撞持续时间更长.具体的碰撞冲击参数见表3.
过程可以考虑在对接杆部分实现缓冲的思想，改变对接杆构型，采用变形能力大的对接杆提高对接冲击的缓冲性能.通过Pro/ENGINEER与MSC Patran和MSC Dytran的配合使用，对直杆、弓形杆和球形杆等3种构型的对接杆进行建模，仿真分析其在正碰和斜碰情形下的缓冲性能，并通过改变碰撞初始相对速度讨论初始条件对缓冲性能的影响.具有较大变形能力的对接杆可以明显提高对接冲击的缓冲性能；变形能力越大的杆构型对初始相对条件改变的适应能力越强.
关键词：中小型航天器； 對接杆； 碰撞缓冲； 空间柔性对接； Pro/ENGINEER； MSC Patran； MSC Dytran
中图分类号： V526； V414.3； TB115.2 文献标志码： A
Buffering characteristic analysis on docking probe ofmedium and small spacecraft based on joint modeling
ZHANG Xiang, HUANG Yiyong, HAN Wei, CHEN Xiaoqian
(College of Aerospace and Materials Engineering, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)
Abstract：
In the docking process of medium and small spacecrafts, it is feasible to implement good buffering by docking probe, so the configuration of docking probe is changed to enhance its defor
mation capacity and achieve the buffering characteristic of docking impact. By combining Pro/ENGINEER with MSC Patran and MSC Dytran, the modeling is performed on three kinds of probes including straight probe, bow probe, and spherical probe, the buffering characteristics are simulated and analyzed under frontal collision and oblique collision, and the effect of initial conditions on buffering characteristics is discussed by changing initialrelative velocity of collision. The probes with better deformation capacity canimprovethebuffering characteristics in the docking process and the probes with good deformation capacityperformgood adaption to the change of initial conditions.
Key words：
medium and small spacecraft; docking probe; impact buffering; space flexible do
cking; Pro/ENGINEER; MSC Patran; MSC Dytran
0 引 言
自20世纪60年代人类首次实现
在轨对接以来，人们对接机构的研究一直受到重视.〈sup>[1]〈/sup>锥-杆式对接机构是前苏联研制的最早的对接机构，出现于1967年，由分别安装在追踪航天器和目标航天器上的主动件与被动件构成.在主动件的通道盖上装有能伸缩的传动机构——连接杆，被动件的盖子上设计有接纳锥，二者配合完成对接.〈sup>[2]〈/sup>对接过程必然伴随碰撞冲击效应，目前主要采用缓冲机构对碰撞冲击进行缓冲〈sup>[3]〈/sup>，对于中小型航天器的对接过程，可考虑直接在对接杆部分实现缓冲〈sup>[4]〈/sup>，通过改变对接杆构型，采用变形能力更大的对接杆结构实现对碰撞冲击的缓冲.
针对碰撞问题，目前通用的做法是采用有限元建模与瞬态动力学分析软件MSC Patran和MSC Dytran〈sup>[5]〈/sup>进行仿真分析.MSC Patran和MSC Dytran具有强大的有限元网格划分与瞬态动力学分析能力，但MSC Patran在前处理过程中的几何模型构建能力有限，次于通用的三维CAD软件.三维画图软件Pro/ENGINEER的参数化〈sup>[6]〈/sup>实现软件间的配合使用，为解决复杂几何模型构建问题提供一种可行途径.
本文通过将Pro/ENGINEER与MSC Patran和MSC Dytran配合使用，实现对复杂对接杆模型的建模与空间对接碰撞的仿真分析.通过比较3种构型对接杆缓冲对接碰撞冲击效果的性能差异，为设计性能更优的柔性对接杆提供参考.
2 模型仿真结果及分析
2.1 正碰情形
正碰是指在对接过程中，对接杆端的轴线方向与对接锥轴线方向重合，对接杆直接进入锁紧装置.该情形是对接过程中的特殊情况，需要十分精准的控制技术，一般情况下很难做到.正碰情形碰撞冲击力时间历程曲线比较见图6
可知，在3种碰撞冲击力时间历程曲线中，球形杆与弓形杆碰撞力峰值较普通圆柱直杆明显减小，碰撞持续时间明显增加；球形杆较弓形杆的碰撞冲击力峰值更小，碰撞持续时间更长.具体的碰撞冲击参数见表3.