空间对接机构热真空环境对接与分离试验技术研究

邱华勇，秦 彦，苑会领，刘刚峰(.上海宇航系统工程研究所，上海009；.哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室，哈尔滨50080)



空间对接机构热真空环境对接与分离试验技术研究

邱华勇1，秦 彦1，苑会领1，刘刚峰2
(1.上海宇航系统工程研究所，上海201109；2.哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室，哈尔滨150080)

摘要:为了验证对接机构在空间环境下的运动性能是否能满足设计要求，在研制过程中必须进行对接机构热真空环境下的对接与分离试验，试验方案的正确与否直接影响到航天器对接与分离的成败。针对对接机构在轨对接的工作过程，提出了利用飞轮模拟对接等效质量的试验方案，并根据提出的方案研制了对接机构热真空对接试验台，完成了对接机构热真空对接与分离试验。由试验结果可知，飞轮模拟等效质量的技术方案有效可行，可保证对接机构热真空对接与分离试验圆满完成。

关键词:空间对接机构；热真空；对接与分离试验

1　引言

空间对接机构是实现两飞行器在轨进行对接与分离的大型复杂空间机构，为了验证对接机构的环境适应能力，暴露产品的设计与工艺问题，评定产品的工作性能[1]，保证对接机构的可靠工作，必须在地面进行空间环境热真空试验，即在热真空环境下进行对接与分离试验。

对接机构的热真空对接与分离试验，是在热真空环境下，进行主、被动两对接机构的对接与分离全过程的验证试验。由于热真空环境试验设备(热真空室)容积的限制，为了模拟在空间环境下的对接与分离试验，必须研制一种外形尺寸都缩小的试验台[2]。依据功能需求，此试验台还应是能适应热真空环境、能模拟等效质量以实现对接撞击、能设定对接初始条件、能配合对接机构工作过程的一台试验装置。国外已有类似的试验台，称之为空间局部小环境动力学试验台或轻便动力学试验台，可用于模拟对接机构中心碰撞、倾斜碰撞等试验工况[3]。

本文介绍了我国对接机构热真空对接试验台的技术方案，提出了具体的等效质量模拟方法、六自由度运动实现方案，经过了试验验证，并结合实际试验情况，对试验方案进行了评价和建议。

2　热真空对接试验台技术方案

对接机构热真空对接试验台，既要能实现主、被动两对接机构的对接与分离试验，同时又要能适应现有真空罐容积等条件限制，外形要求尽量小。其主要功能要求如下:1)能够模拟对接的两个飞行器的质量等效；2)能够设定一定的对接初始条件，即能设置一定的俯仰偏航或滚转初始对接姿态，能够实现一定的初始对接速度；3)能消除重力对对接与分离过程的影响；4)能够实现主、被动对接机构的对接碰撞、捕获、缓冲、校正、拉近、刚性连接与密封、分离全过程。

为了实现等效质量的模拟，同时尺寸要足够小，需利用飞轮来将旋转运动转换为直线运动。试验台技术方案如图1所示。整个试验台分为上下两部分，主动对接机构倒置安装于上半部分，被动对接机构安装于下半部分的移动平台上，移动平台上具有对接初始姿态设定机构，俯仰、偏航和滚转姿态均能设定，能模拟一定的对接初始偏差。移动平台通过钢索吊挂重量平衡砝码实现重力平衡，下移动平台整体由飞轮转动通过滚珠丝杠实现一定的对接速度，其中通过计算和调整飞轮的转动惯量来实现一定的对接等效质量模拟。试验台上半部分安装设置有六维力传感器，可用于测量对接碰撞时的力及力矩。试验台能实现六自由度运动，其中移动平台上姿态设定机构实现俯仰偏航滚转和横向运动，飞轮实现纵向运动。对接过程中，在主动对接环上设置弹簧吊挂装置，用于平衡对接捕获环的重量，模拟空间失重对接。

图1　对接机构热真空对接试验台原理示意图Fig. 1 Schematic diagram of the thermal vacuum docking test station

3　等效质量模拟原理

对接等效质量计算的依据是两对接飞行器的质量数据，追踪飞行器的质量为m1，目标飞行器的质量为m2。在用这类试验台进行试验时，通常是模拟中心碰撞[2]，即可假定对接是对中的，即两个飞行器的对接速度v1和v2在对接前与飞行器质心的连线方向一致。根据动量守恒定律，对接飞行器的速度关系如式(1):

由此得出对接后两飞行器的速度如式(2):

两飞行器对接过程所需能量A =对接前的能量-对接后的能量，如式(3):

整理式(3)可得式(4):

依据热真空对接试验台的技术原理，考虑采用大导程滚珠丝杠副，飞轮转动通过滚珠丝杠转化为下平台的上下移动，且采用重力平衡和润滑小摩擦技术，可忽略下平台移动时的摩擦耗能，则对接过程所需能量如式(5):

式中，AR为飞轮旋转的转动能量，AT为下平台直线移动部分的运动能量，分别满足公式(6)、(7)。

式中，JR为飞轮的转动惯量；ωR为飞轮的转动角速度；nR为飞轮的转速。mT为移动平台总质量，包括下移动平台、被动对接机构和重力平衡砝码。

假定8 t与8 t的两飞行器对接，则对接等效质量mCT= 4000 kg，假定下平台加被动对接机构的质量为750 kg，重力平衡砝码亦为750 kg，则mT= 1500 kg，l = 0. 05 m，则飞轮转动惯量为JR= 1583. 143×10-4kg˙m2。通过调节不同的飞轮转动惯量，可以模拟不同的对接等效质量。

对接机构的分离过程，可以理解为对接的逆过程。通常对接机构分离过程是:锁钩解锁，锁钩解除约束后，在两飞行器对接面之间的分离推杆的作用下，两飞行器实现分离。分离推杆采用无控弹簧式，初始分离力与最终分离力为某一固定值。分离推杆的总能量为两飞行器分离时的唯一能量供给，在分离推杆确定的情况下亦为一固定值。即依据前公式(5)，则A为分离推杆总能量，可知在该试验台进行分离试验能得到两飞行器分离速度，若在不考虑下平台摩擦影响，在此等效模拟质量下分离速度应与真实一致。

4　热真空对接与分离试验情况

4. 1 试验概况

神舟八号飞船主动对接机构和天宫一号目标飞行器被动对接机构，于2009年10—11月，进行了初样鉴定级热真空对接与分离试验。试验过程中，通过控制红外笼及红外灯阵系统，施加到对接机构及热真空对接试验台上的热流，来实现对接机构及热真空对接试验台的温度要求。试验在某空间环境模拟室(即真空罐)内进行。对接机构热真空对接试验台如图2，主、被动对接机构均已安装至其内部，整体准备吊入真空罐，红外灯阵及红外笼在罐内安装完毕的状态如图3。

图2　热真空对接试验台在真空罐外Fig. 2 Thermal vacuum docking test station outside the vacuum chamber

图3　红外笼及灯阵安装完毕的罐内状态Fig. 3 Thermal vacuum docking test station inside the vacuum chamber with infrared lamp array

4. 2 环境条件设定

试验为鉴定级热真空试验，试验中通过红外灯阵系统等多方式联合来实现对接机构产品温度，试验共完成6. 5次高低温循环。试验过程对接机构控温点的温度均达到要求值(高温端0～4℃之间，低温端- 4～0℃之间)，且均匀性良好，罐内真空度满足试验要求。

4. 3 等效模拟效果分析

本次试验共完成主被动对接机构的不同初始条件的对接74次，其中刚性连接与分离31次，试验台全过程工作状态良好。为了进一步说明试验台对接与分离等效模拟的真实性，选择与气浮式对接分离试验台的试验结果对比，分析对接机构在相同工况下的工作实现情况。气浮式对接与分离试验台如图4，为物理模拟试验台，8 t对8 t飞行器真实质量模拟，高精度实现对接与分离过程，气浮式摩擦影响小，对接模拟真实度较高。此次热真空对接试验台模拟亦为8 t -8 t等效对接。

图4　气浮式对接与分离试验台Fig.4 The docking buffer test bed(air floated platform)

在对接试验对比中，选择对接纵向力(轴向力)参数进行对比，考核对接机构承受的对接载荷与真实对接过程是否一致。图5为某高速正碰对接工况，在热真空试验台与气浮试验台的轴向缓冲力结果曲线，图5(a)为热真空台曲线，最大力为11. 6 kN，图5 (b)为气浮台曲线，最大力11. 2 kN。图6为某中速俯仰偏差对接工况，热真空台最大力为6. 03 kN，气浮台最大力为6. 15 kN。两者最大撞击力基本一致，说明热真空试验台的对接等效质量模拟较真实，实现对接过程的对接能量施加与真实碰撞较一致。撞击曲线后振荡衰减快慢与试验台的刚度及摩擦有关。从曲线中可以看出，热真空试验台对接过程上下移动的摩擦阻力大于气浮台，因阻力影响，故其对接过程对接力迅速衰减，且振荡次数较少。

在分离试验中，考虑分离过程的差异和评价等效质量模拟，选择分离力和分离速度进行对比。对接机构分离过程是:对接锁解锁，锁钩解除约束后，由分布于对接面的分离推杆将两飞行器推开，推开过程分离力及相关力矩作用于对接面上。图7为某分离工况热真空试验台与气浮试验台分离力曲线对比。从曲线可以看出，分离力的作用与分离力施加的量级和趋势是相当的，可一定程度说明热真空试验台的分离功能验证是可行的，由于热真空试验台是不能模拟飞行器俯仰偏航惯量，是锁住相关姿态进行分离的，所以热真空台的分离力曲线波动较大。

图5　某高速正碰工况热真空试验台与气浮试验台对接轴向力曲线Fig. 5 Comparison of docking force curves in vacuum docking and air floated docking with high speed direct collision

图6　某中速俯仰工况热真空试验台与气浮试验台对接轴向力曲线Fig. 6 Comparison of docking force curves in vacuum docking and air floated platform docking with middle speed pitch collision

图7　某分离工况热真空试验台与气浮试验台分离力曲线Fig. 7 Comparison of separation force curves in vacuum test and air floated platform test

图8　某分离工况热真空试验台与气浮试验台分离速度曲线Fig. 8 Comparison of separation speed curve in vacuum test and air floated platform test

重点进行分离速度的对比分析，分离速度能反映试验台等效质量模拟情况。图8为某分离工况热真空试验台与气浮试验台分离速度曲线对比。从曲线可以看出，在热真空试验台上分离，分离速度最大为0. 105 m/ s，且快速衰减至零，而气浮台分离速度为0. 13 m/ s，且分离后无衰减，说明热真空试验台的下平台纵向向下移动的阻力较大，此阻力与下平台摩擦阻力有关，也与下平台的配重状态有关，从2个试验台的分离速度看是大致相当的，说明热真空试验工装纵向等效质量模拟是比较真实的，在进行分离试验时，热真空试验台的摩擦与配重阻力影响是不可忽视的。

5　结论

对接机构热真空对接试验台的技术方案是该试验成败的关键。本文介绍了该试验台利用飞轮模拟对接等效质量的方法和原理，并简要介绍了试验台的运动原理和整个试验的情况，对试验结果进行了分析和评价。试验结果表明，飞轮模拟等效质量的试验方法是正确可行的，较真实的模拟了在轨对接与分离过程，可为后续大型空间机构热真空试验提供参考依据。

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Study on Docking and Separation Test Technology for Space Docking Mechanism in Thermal Vacuum Environment

QIU Huayong1，QIN Yan1，YUAN Huiling1，LIU Gangfeng2
(1. Aerospace System Engineering Shanghai，Shanghai 201109，China；2. State Key Laboratory of Robotic Technology and System Robotics Institute，Harbin Institute of Technology，Harbin 150080，China)

Abstract:During the development of the docking mechanism，to verify whether the motion performance in space environment can meet the design requirements，thermal vacuum tests must be conducted. The validity of the test program directly affects the success of the spacecraft docking. On the basis of the in - orbit docking process，a test method was proposed，including the equivalent inertia simulation technology，six DOF motion technology，etc. According to the proposed scheme，a Thermal Vacuum Docking Test Station was developed and tests were successfully completed. The results showed that the proposed test technique was effective and feasible and ensured the successful completion of the thermal vacuum docking tests.

Key words:space docking mechanism；thermal vacuum；docking and separation test

作者简介:邱华勇(1981 - )，男，硕士，高级工程师，研究方向为对接机构系统设计。E-mail:ureca@163. com

收稿日期:2015-08-13；修回日期:2015-12-21

中图分类号:V416. 8

文献标识码:A

文章编号:1674-5825(2016)01-0112-05