空间站转位组建方案研究

沈晓鹏，刘 艳，胡雪平，耿海峰，魏 智，陈宝东，2

(1.上海宇航系统工程研究所，上海201109；2.上海市空间飞行器机构重点实验室，上海201109)

空间站转位组建方案研究

沈晓鹏1，刘 艳1，胡雪平1，耿海峰1，魏 智1，陈宝东1，2

(1.上海宇航系统工程研究所，上海201109；2.上海市空间飞行器机构重点实验室，上海201109)

研究了国外空间站转位组建和机械臂操作组建两种方案。根据我国空间站任务和T字基本构型，提出了空间站组建的翻转转位和平面转位的两种方案。从基本组成与功能、安装布局和工作过程方面进行了方案设计，并对两种方案进行了分析对比，对比结果表明两种方案各有优劣，翻转转位方案优势明显。研究结果可为空间站工程总体确定我国空间站组建方案提供参考。

空间站；机械臂；转位机构；翻转转位；平面转位

1 引言

我国载人航天工程计划在2020年前后建成和运营近地空间站，独立掌握近地空间站长期载人飞行技术，具备长期开展近地空间有人参与科学技术实验和综合开发利用太空资源能力[1]，由于我国与美国和俄罗斯相比，在技术基础、研发经验、研发保障等方面都存在很大差距，因此需要开展与国情相适应的空间站组建方案研究。

本文根据我国空间站工程任务，借鉴国外组建经验，在我国航天技术发展现状的基础上，提出两种可用于我国空间站组建的转位方案，从多方面对两种方案进行了对比研究。

2 国外空间站组建方案

空间站按结构构型可分为单模块舱段式和多模块组合式(或称为积木式)两大类，长久性空间站采用的为多模块组合式空间站。由于火箭运载能力及尺寸包络的限制，多模块空间站组建通常采用舱段在轨组装建造而成。根据组建工具的不同，多模块空间站的组建有转位组建和机械臂组建两种方案[2]。

2.1 转位组建方案

转位组建适用于“十”字构型空间站的建造，俄罗斯和平号空间站采用此种组建方案。和平号空间站具有六个对接口，五个口集中在对接舱段上。对接舱段结构密度很高，可以实现轴向和侧向对接。所有与和平号组装的舱段必须首先与对接舱段实现轴向对接，然后通过转位机构移动到侧向对接口实现对接[3]。

转位机构是在组装舱段头部装有操作臂，它可以绕固定轴转动，臂端有一个捕获机构，对应这个捕获机构的是一个与之匹配的旋转座。旋转座安装在节点舱上。和平号空间站实现侧向对接的过程如下[3]：

1)航天器首先与节点舱前端实现轴向对接；2)操作臂与旋转座实现连接；

3)操作臂转动航天器到侧向，并对准侧向对接口；

4)对接机构实现侧向对接。

2.2 机械臂操作组建方案

机械臂操作组建方案是利用空间机械臂直接捕获、抓取舱体到侧向对接口然后进行对接。它实际上是先实现空间交会，将需要对接的航天器停泊在空间站附近的预定位置(与空间站相对距离不变，相对速度为零)，然后由空间站移动运输服务中心的机械臂伸出去抓获，通过操作机械臂，缓慢缩短两者之间的相对距离，直至两者的对接机构捕获成功。这样就避免交会对接过程中与空间站剧烈碰撞现象发生，碰撞力与轴向硬对接相比降低2～3个数量级。但是进行对接的舱体需要向空间站附近预定地点停泊，而且停泊时需要高精度保持相对位置和姿态稳定，存在控制困难问题。侧向捕获和连接需要通用停靠机构(CBM)来实现[4-5]。

3 我国空间站组建方案

规划中的我国空间站包括核心舱、实验舱Ⅰ和实验舱Ⅱ。空间站采用水平对称T形构型作为空间站三舱组合体基本拓扑结构，所有舱段均位于组合体当地水平面内。核心舱前端设置节点舱，节点舱前端用于载人飞船对接，节点舱左右停泊口用于实验舱I和实验舱II停泊。核心舱后端用于货运飞船对接。空间站基本构型如图1所示[6]。

图1 我国空间站基本构型Fig·1 Basic configuration of the Chinese space station

机械臂操作组建方案在舱段位置和姿态控制方面对制导、导航与控制(GNC)系统要求非常高，同时机械臂系统本身能耗高，可靠度要求高，且组建过程需要CBM的配合；而采用转位机构组建，有着结构紧凑、控制简单、可靠度高、经济性好的优点，可充分利用国内空间机构研究及应用成果。同时我国空间站基本的T字构型与和平号“十”字构型类似，可借鉴其组建方案和空间应用经验。因此，我国空间站发展初期，采用转位方案来组建较为经济、稳妥，这是与载人航天技术的发展相适应的。

根据实验舱质心运动轨迹的不同，可以将转位方案分为翻转转位组建方案和平面转位组建方案。

3.1 翻转转位组建方案

翻转转位组建方案与和平号组建方案[3]类似。方案采用的是两个自由度转位机构，通过两回转轴线垂直的关节(转臂关节和转位关节)交替动作实现实验舱转位。

1)基本组成和功能

翻转转位机构包括基座和转臂两部分，两部分均由机构、控制和温控三单元组成，具体组成见图2。控制单元均由传感器、控制驱动器和控制软件组成。控温单元均由热敏电阻、热控多层和加热片组成。转臂的锁紧释放机构用于在上升段将转臂固定于舱体上；捕获连接机构用于与基座捕获、连接和释放；转臂和转位驱动机构用于驱动转臂关节和转位关节转动。

正常情况下基座与转臂配合完成动作，在转臂的捕获连接机构无法完成释放动作时，基座的驱动机构驱动解锁机构进行解锁。

图2 翻转转位机构的组成Fig·2 Composition of tilt-transfer manipulator arm

2)安装布局

核心舱先于实验舱发射，且转臂作为主动动作的机构，为提高转位任务的可靠性，两套基座安装在节点舱上，转臂安装在实验舱上。实验舱前端安装有主动对接机构，核心舱轴向口和停泊口安装有被动对接机构，翻转转位机构总体布局如图3所示。

图3 翻转转位机构布局Fig·3 Layout of tilt-transfer manipulator arm

翻转转位机构的基座在节点舱上的安装面圆心O和轴向对接口圆心O1以及相邻两停泊口圆心O2、O3形成正三棱锥。因此转臂从轴向可以向两个方向转动，从而实现舱段从轴向至侧向或径向的相邻两个停泊口转位，如图4所示。

3)工作过程

图4 翻转转位机构基座轴线Fig·4 Base axis of tilt-transfer manipulator arm

翻转转位过程始于实验舱主动对接机构的对接锁解锁，转位主要有以下四个过程，如图5所示。从转位过程可以看出，由于安装点形成的正三棱锥特性，实验舱转位前后舱体会相对于自身轴线转动90°。

图5 翻转转位机构工作过程Fig·5 Working process of tilt-transfer manipulator arm

3.2 平面转位组建方案

平面转位组建方案是基于翻转转位方案，兼顾考虑实验舱转位任务需求而提出，方案是采用两自由度的转位机构，通过两回转轴线平行的关节(肩关节、腕关节)动作实现实验舱转位。

1)基本组成和功能

平面转位机构与翻转转位机构基本组成相同，包括基座和转臂两部分，两部分均由机构、控制和温控三单元组成，各单元功能与翻转转位机构基本相同，见图6。两方案主要不同之处是两个垂直安装的转臂和转位驱动机构转变为两个平行安装的肩关节和腕关节驱动机构。由于平面转位前后转臂处于实验舱两侧，因此组成中增加停靠支架用于转位后转臂停靠。

图6 平面转位机构的组成Fig·6 Composition of plane-transfer manipulator arm

2)安装布局

与翻转转位方案相同，为提高转位任务的可靠性，平面转位机构的一套转臂安装在实验舱上，二套基座安装在节点舱上。实验舱前端安装有主动对接机构，核心舱轴向口和停泊口安装有被动对接机构，布局如图7所示。

图7 平面转位机构布局Fig·7 Layout of plane-transfer manipulator arm

为了实现平面内转位功能，转位机构基座轴线位于水平面内，两基座呈对称布置，如图8所示。由于基座轴线的布局，转臂仅可以从轴向对接口转位至对应的停泊口。

3)工作过程

平面转位过程始于实验舱主动对接机构的对接锁解锁，转位主要过程如图9所示。从平面转位过程可以看出，与翻转转位不同，实验舱转位前后舱体相对于自身轴线不会发生转动。

图8 平面转位机构基座轴线Fig·8 Base axis of plane-transfer manipulator arm

图9 平面转位机构工作过程Fig·9 Working process of plane-transfer manipulator arm

4 转位组建方案对比

翻转转位组建方案和平面转位组建方案组成和工作过程基本相同，均能实现实验舱由节点舱轴向转位至侧向。但两种方案主要在以下几方面存在差异：

1)空间应用经验及技术风险

翻转转位组建方案与俄罗斯和平号空间站组装方案类似，和平号空间站组建方案已成功应用。同时翻转转位方案在国内已开展了相关研究，有一定的技术基础[2，7]。

平面转位组建方案属于全新方案，国内外均无空间应用经历。方案的借鉴性和成熟度较低，工程研制存在较高的技术风险。

2)任务适应性

翻转转位组建方案通过节点舱上安装的一套基座能够实现实验舱从轴向口至相邻两个停泊口转位动作，即能够实现“一对二”转位。此方案可以通过两套基座实现舱体至节点舱四个停泊口的转位，扩展性强。

平面转位组建方案通过节点舱上安装的一套基座仅能实现实验舱从轴向口至对应停泊口的转位动作，即只能实现“一对一”转位，如节点舱需要停泊四个舱体则需要四套基座。

3)转位后舱体姿态

如前所述，翻转转位方案基座轴线为相邻对接口组成正三棱锥的高，因此转位后实验舱舱体相对于自身轴线转动90°，这将会影响到实验舱上安装设备的工作姿态。

平面转位组建方案由于转位机构的肩关节和腕关节的轴线垂直于实验舱的运动平面，转位后实验舱不会相对于自身轴线发生转动。

4)组合体控制难度

翻转转位组建方案中，实验舱转位过程是先上翻后转位。实验舱的上翻动作使实验舱质心与转位轴距离减小。由于转动惯量与距离的平方成正比，因此翻转转位方案的实验舱转动惯量较小。通过ADAMS软件建立动力学模型，在设定关节转速为0.1°/s的条件下进行仿真计算。转位过程角动量计算结果见图10，图中实线为组合体控制力矩，虚线为角动量曲线。由图可知转位过程中最大角动量为2050 Nms。

图10 翻转转位实验舱角动量Fig·10 Cabin angular momentum of tilt-transfer scheme

平面转位组建方案转位前后实验舱质心与转位轴距离始终保持不变，转位过程转动惯量较大。在关节转速同样为0.1°/s时，转位过程角动量仿真结果见图11，图中实线为组合体控制力矩，虚线为角动量曲线，最大角动量为7200 Nms。因此，空间站组合体控制难度相对翻转转位方案大。在无控的情况下，组合体姿态的变化在转位前后将会比翻转转位方案更大。

图11 平面转位实验舱角动量Fig·11 Cabin angular momentum of plane-transfer scheme

5)实验舱空间占用

翻转转位组建方案中，转臂在上升段是通过锁紧释放机构锁紧在实验舱上。转位完成后，同样通过锁紧释放机构固定在舱体上。因此，转臂仅占用实验舱一侧空间。

平面转位组建方案中，转臂在上升段亦是通过锁紧释放机构锁紧在实验舱上，而转位完成后，转臂需通过停靠支架停靠在实验舱另一侧。同时平面转位机构的运动为平扫运动，运动包络范围内均不能安装其他设备。比翻转转位方案的实验舱占用空间更大。

6)安装接口

翻转转位组建方案的基座轴线是通过节点舱的球心。因此，安装基座的座体与节点舱接口简单，为圆形法兰结构，加工制造容易，连接强度易于保证。

平面转位组建方案的基座轴线位于水平面内且不过节点舱球心。因此，安装基座的座体与节点舱接口为圆球圆锥相贯截面，接口复杂，制造精度和连接强度保证相对困难。

7)质量、尺寸

根据安装布局，翻转转位组建方案转臂长度约1 m，按照铝合金材质进行估算，质量约70 kg，而平面转位组建方案转臂长度约1.6 m，质量估算约110 kg。由于上升段转臂的力学载荷与质量成正比，因此平面转位组建方案的转臂锁紧释放机构相对于翻转转位组建方案需要克服更大的轴向惯性力，载荷更恶劣，对转臂的强度和刚度要求更高。

8)缓冲系统

翻转转位组建方案的两关节轴线垂直，因此转位过程中两个关节不存在动力学耦合作用。考虑到关节的弹簧阻尼作用，关节运动可以看作是单自由度振动模型。动力学过程较为简单，缓冲系统设计难度低。假定关节刚度为100 Nm/°，阻尼系数为500 Nms/°。通过ADAMS动力学仿真计算得到转位关节和转臂关节在转位过程中的力矩曲线，如图12所示。通过曲线可以看出，同一时刻仅有一个关节产生力矩，不存在关节耦合。

图12 翻转转位机构肩关节和腕关节力矩Fig·12 Shoulder joint and wrist joint torque of tilttransfer arm

平面转位组建方案两关节轴线平行，启动以及缓冲制动时会发生关节的动力学耦合，关节运动可简化为两自由度振动模型，缓冲系统设计难度较翻转转位大。同样的刚度和阻尼，肩关节和腕关节在启动和制动过程的力矩仿真结果见图13。由图可知，肩关节和腕关节在转位过程同一时刻存在较复杂的动力学耦合。

9)地面试验系统

由翻转转位方案的转位过程可知，实验舱在转位过程中质心轨迹为空间三维曲线，质心曲线的示意图见图14。在进行转位过程地面试验时，重力平衡系统平衡实验舱重量的同时，需要跟随质心运动，地面试验系统复杂。平面转位方案实验舱质心轨迹为平面曲线，地面试验系统则相对简单。

图13 平面转位机构肩关节和腕关节力矩Fig·13 Shoulder joint and wrist joint torque of planetransfer arm

图14 翻转转位实验舱质心运动轨迹Fig·14 Cabin centroid trajectory of tilt-transfer arm

通过上述对比，翻转转位组建方案在空间应用、组合体控制难度、任务适应性和设计难度等方面均优于平面转位组建方案。平面转位组建较翻转转位组建方案在转位前后舱体姿态变化和地面试验方面有一定优势。

5 结束语

本文在对国外空间站组建方案研究的基础上，根据我国空间站任务提出翻转转位和平面转位两种转位组建方案，对两种方案从空间应用经验、任务适应性、组合体控制、设计难度和地面试验系统等方面进行了对比，对比结果表明两种方案各有优劣，翻转转位方案优势明显。空间站工程总体可针对两种方案的特点，结合我国空间站任务具体需求，进行利弊权衡，选择适宜的转位组建方案。

References)

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Study on Transfer Construction Scheme of Space Station

SHEN Xiaopeng1，LIU Yan1，HU Xueping1，GENG Haifeng1，WEI Zhi1，CHEN Baodong1，2
(1.Aerospace System Engineering Shanghai，Shanghai201109，China；2.Shanghai Key Laboratory of spacecraft Mechanism，Shanghai201109，China)

Construction scheme of foreign space station by transfer manipulator arm or remote manipulator system was studied in this paper.According to Chinese space station mission and basic configuration，the scheme of tilt-transfer and plane-transfer were proposed.The basic composition and function，installation layout，as well as the working process of two kinds of schemes were designed. The two kinds of schemes were analyzed and compared.Comparison results show that the two schemes have their own advantages and disadvantages.The advantage of tilt-transfer scheme is obvious.The research results can provide reference for the Chinese space station project to determine the space station transfer construction scheme.

space station；manipulator arm；transfer mechanism；tilt-transfer；plane-transfer

V423.7

A

1674-5825(2015)05-0450-06

2014-08-10；

2015-07-15

上海市科学技术委员会资助项目(15XD1524000)

沈晓鹏(1984-)，男，硕士，工程师，研究方向为空间对接机构。E-mail：coolsxp＠163.com