[發明專利]異體同構、緩沖阻尼半主動控制對接系統及方法

有效

• 申請號: 201610050686.4
• 申請日: 2016-01-25
• 公開（公告）號: CN105711859B
• 公開（公告）日: 2017-10-27
• 發明（設計）人: 劉志;靳宗向;張崇峰;謝哲;鄭云青;邱華勇
• 申請（專利權）人: 上海宇航系統工程研究所
• 主分類號: B64G1/64
• 分類號: B64G1/64
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司31236
• 代理人: 胡晶

技術領域

本發明涉及航天飛行器的對接系統，尤其涉及一種異體同構、緩沖阻尼半主動控制對接系統及方法。

背景技術

空間對接系統可以使兩個航天器在空間軌道上結合并在結構上連接成一個整體。廣泛應用于空間站、空間實驗室、空間通信和遙感平臺等大型設施在軌裝配、回收、補給、維修以及空間救援等領域。例如：神舟十號飛船與天宮一號通過對接系統實現兩者之間剛性連接，航天員通過對接通道從神舟飛船進入到天宮一號實驗艙內。

大部分的對接系統都有一個機械結構，包括鎖、鎖鉤和其他的機構。一般情況下，實現兩航天器的連接有兩種方法：對接或停靠。對接操作出現的情況是，當主動飛行器(如神舟飛船)在自主機動控制下進入捕獲包絡范圍，與目標飛行器對接系統接觸碰撞(如天宮一號)。停靠操作出現的情況是，一個航天器(如空間站)上安裝的外部的連接裝置(如遙操作系統，即RMS)，連接到另一個航天器(如日本貨運飛船)上，操縱其進入捕獲范圍，與空間站對接系統接觸。對接和停靠操作需要兩個航天器都有一個對接裝置，從而將兩個對接裝置連接起來。

下面的論述描述了在任何對接過程中的主要階段。首先是接近段，主動飛行器運動到對接捕獲初始條件范圍內。對接捕獲初始條件是預先定義的一個圍繞對接裝置的區域，在對接和停靠前必須導引飛行器進入該區域。第二是導向對準階段，將兩個航天器對接環相互導向并對準。這個階段通常驅動兩飛行器相互靠近，在對接操作時，迫使對接環利用被動導向實現對準，或者利用RMS視覺提示校準偏差實現重新對準。第三是捕獲階段，主要是相互靠近的兩航天器通過捕獲裝置(如捕獲鎖)實現柔性連接。第四是緩沖階段，兩航天器之間相對運動能量和剩余的相對運動通過對接系統進行吸收和消耗。第五是拉近階段，主動對接機構將兩飛行器拉近，通過對接框面的導向銷套實現精確對準。最后階段是剛性連接階段，當兩飛行器的對接框面處于接近位置時，對接鎖工作，完成剛性連接，為兩對接面提供剛性連接力和密封力，實現對接通道的密封。

我國神舟飛船對接系統為機電差動式對接系統，采用電機驅動機構的運動部分，而撞擊能量的吸收依靠彈簧、電磁等形式的緩沖器。該對接系統能夠根據不同位移方向動能的實際大小，被動的適應消耗各個方向的碰撞緩沖能量。但該對接系統非常復雜，僅差速器就有300多個傳動齒輪，傳動鏈中元件太多，系統慣性增加，降低了緩沖性能。同時重量、制造成本也大大增加。美國NASA提出了一種基于閉環力反饋控制的對接系統，采用數字控制系統進行閉環控制，此時捕獲環的伸出、拉緊、校正和撞擊能量的吸收依靠控制系統、滾珠絲杠、伺服電機、光電編碼器、力和力矩傳感器來自動完成。但該系統采用了高精度力傳感器，對實時控制系統要求高且復雜，而且力傳感器的漂移會對對接過程產生不利影響，甚至在緩沖過程中引起震蕩。在專利ZL201210489374.5中，公開了一種異體同構、剛度阻尼閉環反饋控制的對接系統，它采用可逆向傳動的直線驅動機構，按照預置的控制規律通過6根直線驅動裝置的電機來實現緩沖阻尼力。該系統不需要高精度的力傳感器參與，降低了系統復雜度，但該系統需要進行Stwart平臺正解運算，存在運算量大等缺點。

發明內容

為了克服以上提到的對接系統的缺陷，本發明提供了一種異體同構、緩沖阻尼半主動控制對接系統包括安裝在追蹤航天器的主動對接裝置和安裝在目標航天器的被動對接裝置，所述主動對接裝置包括主動對接環、以及若干直線驅動裝置，所述直線驅動裝置包括伸縮機構和電機，所述被動對接裝置包括被動對接環；

所述主動對接裝置還包括控制驅動子系統，所述直線驅動裝置還包括離合器；所述離合器未打滑時，實現電機與伸縮機構之間的傳動，且依據作用于主動對接環對應位置作用力的逆向傳動作用，對應的所述電機、離合器和伸縮裝置相應的發生減速或加速；所述離合器打滑時，所述伸縮機構與電機之間無傳動作用；

所述控制驅動子系統將所述離合器在捕獲完成前的離合力矩配置為第一檔離合力矩，在捕獲完成后的離合力矩配置為第二檔離合力矩；所述第一檔離合力矩小于第二檔離合力矩；

若作用于主動對接環對應位置的作用力逆向傳動至對應所述離合器所產生的力矩，超出該離合器當下被配置的第一檔離合力矩或第二檔離合力矩時，所述離合器打滑，否則，不打滑。

可選的，所述直線驅動裝置還包括位移測量傳感器，用以檢測所述伸縮機構的伸縮位移并反饋至所述控制驅動子系統，在捕獲后，所述控制驅動子系統依據所采集的伸縮位移驅動所述電機運作，進而調整所述主動對接環的姿態。

可選的，所述電機為雙向驅動電機。