复合式对接试验台构型及动力学分析

张元　范长珍

摘要：小型卫星空间交会对接是影响航天事业发展的关键技术。为了保证小型卫星空间对接的成功率，通过仿真对接试验台进行地面对接模拟试验研究是十分必要的。针对空间对接试验台对接模式单一、通用性差的问题，在立式对接试验台的基础上设计了复合式对接试验台，该试验台可实现垂直和水平两种对接模式，并详细介绍了关键部件的组成结构和工作原理。对被动对接平台球关节进行了动力学分析，依据分析结果对为球关节的旋转运动提供动力的平衡杆组件进行了优化。同时，利用仿真分析软件对主动对接平台的底盘支撑组件进行了仿真分析，结果表明：底盘支撑组件的最大变形和最大应力均在允许范围内，满足设计要求。

关键词：复合式试验台；对接模式；球关节；动力学分析

DOI：10.15938/j.jhust.2018.01.002

中图分类号： TH122

文献标志码： A

文章编号： 1007-2683（2018）01-0007-06

Abstract：Small satellite rendezvous and docking is a key technology affecting the development of the space industry. In order to ensure the success rate of small satellites in space docking， it is necessary to carry simulation test of space docking through the space docking simulation test bench. In response to the problems of space docking test platform docking form single and poor universality， on the basis of vertical docking test platform composite docking test rig is designed. The test platform can realize two kinds of docking modes of vertical and horizontal， and introduces the structure and working principle of the key components in detail. The dynamic analysis of ball joint of the passive docking table is carried out， and the balance bar components which provide power for the rotary motion of the ball joint is optimized. At the same time， the simulation analysis is carried out by using the simulation analysis software to carry out the simulation analysis of the supporting components of the active docking platform. The results show that the maximum deformation and maximum stress of the chassis support components are in the range of requirements and meet the design requirements.

Keywords：composite test platform；docking pattern；spherical joint；dynamics analysis

0引言

小型卫星空间交会对接技术在现代航天领域占据着举足轻重的位置，航天器空间对接成功与否关系着大型空间站的建立、航天器在轨服务寿命的延长及营救遇险航天员等空间活动的实施[1-3]。空间对接过程是极其复杂的运动学和动力学过程，并且伴随着碰撞和振动，只依靠数学模型对该过程进行分析研究是不够的，需要通过空间对接试验台对影响空间对接的各因素进行综合分析研究[4-7]。目前国内外较成熟的对接试验台有五自由度绳索式综合仿真试验台、六自由度混合式综合仿真试验台、五自由度气浮仿真试验台、篮球架式可移动多自由度交会对接仿真器等[8-11]。这些對接仿真试验台只能进行垂直或水平单一模式的对接试验，得到的技术数据不够全面，存在一定的盲区。综上所述，设计一台能同时实现多对接模式的一体机式复合对接试验台，对航天事业的进一步发展具有重大意义。

1复合式对接试验台总体构型

本文在立式对接测试平台（如图1所示）的基础上遵循结构简单紧凑、质量轻、对接模式转换灵活的设计原则， 进行了复合式对接试验台的研究设计。

复合式对接试验台是指对接模式及功能非单一化的，可实现多种对接模式的一体机式对接试验台[12-13]。本文设计的复合式对接试验台主要由架体、运动模拟器、重力平衡装置、控制系统和检测及验证系统组成。其中运动模拟器由主、被动对接平台两部分构成，分别用于安装主、被动对接机构且分别设有转换机构。架体由空心方钢焊接而成，底部横梁设置了倒T型滑道，主动对接平台能沿此滑道进行移动。重力平衡装置采用的是吊装式结构，通过两套配重装置来平衡被动平台及对接机构被动部分的重量，以达到近似模拟太空失重环境的目的。复合对接试验台的总体结构及两种对接模式状态如图2所示。

当试验台从垂直对接模式向水平对接模式转换时，首先通过主、被动对接平台的转换机构分别将用于安装主、被动对接机构的底盘支撑组件和法兰盘相对旋转90°，底盘支撑组件和法兰盘的旋转角度通过角度传感器进行测量，然后调整主、被动对接平台垂直和水平方向间的距离以达到实验要求的距离，反向重复上诉动作便可使该试验台实现从水平对接模式到垂直对接模式的转换。

与立式对接测试平台相比复合式对接试验台不仅具有六个自由度，且各自由度可实现独立运动且相互间不产生耦合运动，而且可以实现垂直和水平两种对接模式，且在两对接模式间可实现灵活转换，通用性好，适应不同对接机构及对接试验的要求。这在空间对接试验台的研究领域是一个新的突破，打破了对接试验台结构形式单一的局面，开启了垂直和水平两种方式相结合的一体机式对接试验新领域，为高精尖对接机构及小型卫星空间交会对接技术的研究提供更全面可靠的技术及数据支持。

2复合式对接试验台关键部件结构设计

2.1主、被动对接平台转换机构设计

运动模拟器是复合式对接试验台的重要组成部分，其功能是模拟小卫星空间对接运动，其中主对接平台模拟追踪卫星，被动对接平台模拟目标卫星[14]。从结构紧凑性和对接模式转换灵活性的角度考虑，对主被动对接平台转换机构进行了详细的结构设计。

2.1.1主动对接平台转换机构

主动对接平台主体由十字型布置的双层滑移导轨、转换机构及底盘支撑组件构成，可实现X、Y两个移动自由度[15]。转换机构的作用是在不改变该平台运动特性的前提下使其对接模式实现由垂直到水平的转换，该转换机构由电机、蜗轮蜗杆、齿轮、限位杆等组成，其结构如图3所示。电机通过蜗杆带动涡轮旋转，通过齿轮A将旋转运动传递给底盘支撑组件支架使其旋转一定角度，底盘支撑组件与支架相连接，从而实现垂直到水平对接模式的转换。该转换机构传动平稳，工作可靠，选用步进电机作为动力源。该电机精度高、响应快、可实现正反转。在模式转换过程中利用角度传感器来控制底盘组件的旋转角度。

2.1.2被动对接平台转换机构

被动对接平台由移动端、导向杆、球关节、吊架、转换机构和法兰盘组成，实现Z向移动及绕X、Y、Z三轴的转动（既滚转、俯仰、偏航运动），为了保证四个自由度的运动不受影响，转换机构不仅要工作可靠，且要求结构简单质量轻，如图4所示。该转换机构由电机、蜗轮蜗杆、十字形轴构成。蜗轮与法兰分别位于十字形轴的两相邻轴端上，电机通过蜗杆带动蜗轮旋转，并将旋转运动传递给十字形轴，法兰盘随着十字形轴旋转，从而实现对接模式的变换。该转换机构的电机依然选用步进电机。

2.2重力平衡装置

众所周知空间对接环境为失重状态，因此对接试验台应具备模拟太空失重环境的功能[16-17]。复合式对接试验台采用吊装式重力平衡装置模拟失重状态。垂直对接模式下由于被动对接平台结构布局对称，其整体重心位于垂直中心线上，通过绳索另一端的配重块来平衡其重量以达到模拟太空失重状态，如图5（a）图所示。但在水平对接模式下由于结构布局的变化导致被动对接平台整体重心偏移，本文利用杆称的平衡原理通过重力平衡杆与配重滑块来解决这一问题，如图5（b）图所示。平衡杆通过法兰盘与十字形轴连接，配重滑块可在其上移动，从而起到平衡的作用。

3被动对接平台动力学分析

被动对接平台模拟的是被动对接机构在对接过程中的运动及姿态变化，其中绕X、Y、Z三轴的旋转运动是通过平衡组件与球关节相配合实现的。当平衡盘在平衡杆上的位置发生变化时平衡组件重心发生偏移产生偏转力矩，在该力矩的作用下，球关节与轴瓦间产生相对转动从而使末端执行机构发生偏转运动，如图6所示。由图可知，与立式对接测试平台相比复合式对接试验台的被动对接平台由于增设了转换机构导致球关节受力变大，球关节绕着某一轴进行旋转运动时球关节与轴瓦间的摩擦力增大。当摩擦力大于偏转力矩时致使球关节旋转达到预设的旋转角度要求。本文设计的复合式对接试验台要求三个转动自由度的运动范围在-5°～5°之间。

以绕ζ轴旋转为例，通过赫兹弹性变形理论对关节球旋转过程中所受的摩擦力进行分析[18-20]，如图7所示。球关节在转动过程中与轴瓦间产生的摩擦力矩与球关节转动方向相反，两者接触面上的正应力近似按余弦规律分布，用字母P表示，即p=p0cosα，p0为关节球任一点A处的正应力值，α为该受力点的半径与ζ的夹角。由公式Fζ=0得：

由分析计算结果可知，球关节处旋转角度不能达到5°，不满足设计要求。为了解决这一问题最简单而有效的方法为对平衡杆的长度进行优化，由以上计算可知平衡组件能产生的最大偏转力矩至少为73N·m才能满足要求。通过反推计算得出平衡杆最小长度应为0.52m，考虑到其他可能导致摩擦力增大的影响因素，取平衡杆长度为0.6m。

4主动对接平台底盘支撑组件有限元分析

主动对接平台底盘支撑组件的作用是安装和支撑主动对接结构，在垂直对接模式下对接机构的重量作用于底盘上，然而当复合式对接试验台由垂直对接模式变换到水平对接模式时主动对接机构的重量完全由支撑杆来承担，同时在自身重量的作用下支撑杆产生弯曲变形。支撑杆变形过大将影响对接机构的对接精度，本文参照三爪式对接机构的参数利用ANSYS Workbench软件中Static Structural模块对其进行变形和应力分析。

将模型导入Static Structural中，设置材料属性为45号钢，进入Modal模块采用四面体网格对模型进行网格划分，生成了25693个单元和65932个节点。三爪式对接机构主动对接机构重量为120N，每根支撑杆承受20N向下的力，施加载荷后通过solve求解得变形及应力云图，如图8所示。由分析云图得知最大变形量和最大应力如表1所示。

由分析结果可知，支撐杆在水平对接模式下的最大变形量及最大应力值都非常小，所以支撑杆件不会产生较大的弯曲变形，不会导致其对接中心线的偏离，不影响对接精度。

5结语

本文在立式对接测试平台的基础上进行了复合对接试验台的构型设计，主要针对主、被动对接平台的对接模式转换机构、重力平衡装置进行了详细设计。同时，对被动对接平台球关节旋转运动进行了动力学分析，依据分析结果对平衡杆进行了优化，将其长度重新设计为0.6m，从而使球关节的旋转运动满足设计角度要求。另外通过ANSYS Workbench分析软件对主动对接平台底盘支撑组件进行了静力学分析，验证其强度及刚度符合要求。复合式对接试验台可根据试验要求在垂直和水平两种对接模式间灵活地转换，并且具备实现自锁功能，工作可靠。本设计打破了地面对接模拟试验台对接模式单一，通用性差的局面，将在空间对接研究领域开启新篇章。

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（编辑：温泽宇）