CN102107738A - 在轨航天器的柔性自适应对接器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在轨航天器的柔性自适应对接器，该种柔性自适应对接器对接过程基于被动捕获系统内壁内部电流变弹性胶体的机电耦合性以及压电复合材料的压电效应所设计。选择恰当的材料通过一定的电气连接而成的柔性自适应接口，通过柔性的自适应耦合对接避免了传统对接过程中的硬性碰撞和无规振荡所带来的问题和风险，且因其智能的闭环响应省去了复杂的计算机控制系统和机械响应系统。

Description

在轨航天器的柔性自适应对接器

技术领域  本发明涉及一种在轨航天器的柔性自适应对接器，该种柔性自适应对接器的对接方式及其过程基于电流变弹性胶体的机电耦合性以及压电复合材料的压电效应所设计，且因其柔性的自适应闭环控制克服了传统对接过程中的硬性碰撞以及由碰撞引起的无规振荡。

背景技术  空间技术是当今世界高科技群体中对科学探索，技术创新和产业发展最具影响的科学技术之一。21世纪，空间技术对国家安全与繁荣的重要性更加突出，世界各国在空间的竞争更加激烈，从而有力地推动了空间技术的迅猛发展。至今人们征服和利用空间的能力取得了长足的进步，但是传统思路下的航天器研制、发射的周期长，风险高，费用高等因素仍然制约着空间技术应用的范围和效益。从目前来看，模块化的可重复使用的航天器是解决上述问题的最佳途径。

本发明以美国“轨道快车”计划为背景提出了一种模块之间柔性自适应的对接器。2007年3月8日美国发射了名为“轨道快车”计划的两颗航天器，其中一颗被称为“空间自动转运机器人”Astro(Autonomous Space Transfer & Robotic Orbital Server)也称“服务航天器”的航天器带有灵活的机械臂，可以用于完成目标卫星的捕捉和加注燃料，更换模块等操作；另一颗则被称为“下一代目标星”NextSat(Next Generation Satellite and Commodities spacecraft)，二者需要配合以完成飞行器在太空高速运转时的自主对接和在轨服务。太空中处于高速运行状态的模块化航天器在因燃料补给、部件更换或其所执行任务的改变而需对模块化组装的航天器系统进行重新组合或模块更换，在此过程中航天器之间的对接方法及对接方式对航天器系统的重构极为重要。

发明内容  针对在轨服务技术中模块化航天器之间须在复杂的太空环境高速运行下进行对接，为避免航天器因硬性的机械对接产生的无规振荡和碰撞而引起的风险，本发明提出了一种柔性自适应的智能对接器。

这种柔性自适应对接器的智能对接方式是利用电流变弹性胶体的机电耦合性以及压电复合材料的压电效应所设计。压电效应的原理是：对压电材料施加压力，它便会产生电位差，且电位差的大小与施加的应力大小成正比。电流变弹性胶体的机电耦合性，随着外加电场E的增强，在场域中产生的诱导偶极间作用力变大，电流变弹性胶体的颗粒的极化程度也越来越大，即颗粒排列更加紧密，宏观上电流变弹性胶体的压缩模量增大，形成较高的剪切力。

选择恰当的材料通过一定的电气连接而成的柔性自适应接口，相比于传统的方式，该种接口不仅避免了以往对接过程中的硬性振荡和无规碰撞所带来的问题，而且因其智能的闭环响应省去了复杂的计算机控制系统和机械响应系统。

附图说明

图1美国“轨道快车”计划交会对接三维结构示意图

图2柔性自适应交会对接接口主视图

图3柔性自适应对接器接口中被动捕获系统剖视图

图4电流变弹性胶体压缩模量随外加电场的变化

图5柔性自适应交会对接过程被动捕获系统受力示意图

具体实施方式  如附图1所示太空中处于高速运行状态的模块化航天器因燃料补给、部件更换或任务变化需进行在轨服务，为了确保在轨服务的顺利进行，需使ASTRO和NEXTSat之间保持相对静止，因此需要在复杂的太空环境中安全、可靠的完成处于高速运动状态的两物体之间的自主交会对接。

如附图1所示，图左为“空间自动转运机器人”即“服务航天器”(Astro)1，其上带有灵活自由的机械臂(Robotic Arm)3，其可以用于完成目标卫星的捕捉和加注燃料，更换模块等操作；图右为“目标航天器”(NextSat)2。

如附图2所示，在自主交会对接最终对接阶段时，采用图像制导和激光制导。航天器之间对齐对接面，调整速度等运动参数，当目标航天器2进入机械臂3的工作范围后，将充分发挥自由机械臂3的作用，目标航天器在机械臂3的夹持下，主动捕获臂3以一定速度、角度进入被动捕获系统4。

如附图3所示，由于服务航天器和目标航天器均在做高速的运动，主动捕获臂在对接的过程中必然在被动捕获系统的内壁上碰撞，但由于嵌在内壁外侧的电流变弹性胶体(ER胶体)3的保护，一定力度内的撞击并不会对机体产生破坏，当捕获臂在自主导航下，深入一定距离时，捕获臂接触到镶嵌在内部的压电复合材料2时，压电复合材料2由于受到挤压形变而产生相应的电压，激励电流变弹性胶体工作，从而形成自适应对接。

实施例  本系统选用压电材料由PZT-PZN(压电陶瓷粉末)与PVDF(压电聚合物)复合制备0-3型压电复合材料。所选的材料具有较高的压电常数也具备良好的柔性加工性能、易于加工成型，且易与空气、水、人体组织匹配。当陶瓷粉末质量分数80wt％时，其压电活化系数d为218pC/N。

电流变弹性胶体选用压缩模量较大的钛酸钡/明胶水凝胶复合胶体，当钛酸钡(BaTiO₃)颗粒浓度为1.5wt％，在E＝1KV/mm的凝胶电场(制备过程中的电场强度)得到的复合胶体，其压缩模量随外加电场的变化如图4。

如附图5所示，S＝d·E(S为形变模量，d为压电复合材料的压电活性常数)，E＝S/d(且在对接过程的不断进行中，E随S增大而迅速变强)。产生的强电场通过一定的电气连接加载到电流变弹性胶体(ER胶体)上，随着E的增强，在场域中产生的诱导偶极间作用力变大，ER胶体的颗粒的极化程度也越来越大，即颗粒排列更加紧密，宏观上ER胶体的压缩模量增大，并逐渐对捕获臂产生剪切力(如图，在压缩模量增长到一定程度时产生足够的剪切力使服务航天器和目标航天器保持相对静止，最终以智能的自耦合的形式完成交会对接过程。

Claims (5)

1.一种在轨航天器的柔性自适应对接器，其组成包括被动捕获系统以及主动捕获臂，其主要特征是，在刚性外壳结构制成的被动捕获系统内壁，部分镶嵌电流变弹性胶体，部分设置压电复合材料。

2.如权利要求1所述在轨航天器的柔性自适应对接器，刚性外壳结构内部为空，压电复合材料和电流变弹性胶体通过电气线路连接。

3.如权利要求1所述在轨航天器的柔性自适应对接器，镶嵌在被动捕获系统内壁外部的电流变弹性胶体，选用压缩模量较大的钛酸钡/明胶水凝胶复合胶体，钛酸钡(BaTiO₃)具有高介电常数，颗粒浓度为1.5wt％；明胶具有蛋白结构的两性高分子聚电介质材料，可以迅速形成水凝胶，在制备过程中施加E＝1kV/mm的凝胶电场强度得到复合胶体，当测试电场E＝1kV/mm其压缩模量为73/KPa。

4.如权利要求1所述在轨航天器的柔性自适应对接器，加载在被动捕获系统内壁内部的压电复合材料，选用由PZT-PZN(压电陶瓷粉末)与PVDF(压电聚合物)复合制备0-3型压电复合材料，陶瓷粉末质量分数80wt％，，其压电活化系数d为218pC/N。

5.如权利要求1所述在轨航天器的柔性自适应对接器，主动捕获臂为圆柱状的刚性结构体。

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