CN102774512A - 一种非接触式模块化航天器在轨对接方法及实施此方法的模拟装置 - Google Patents

Abstract

一种非接触式模块化航天器在轨对接方法及实施此方法的模拟装置，其特征在于：对接方法充分利用了第II类高温超导体超导态时捕获磁力线的特性，超导电流产生的磁场与磁体产生的磁场相互作用，可形成超导磁体对被动稳定的非接触连接，此连接可比拟弹簧阻尼连接具有很高的刚度和阻尼；基于该作用机理构建的采用电磁体和高温超导体的非接触连接接口的模拟装置，对接接口不需要任何机械连接和主动控制，就可完成相应模块的定位、定向和装配，为在轨装配提供了更高的安全性和健壮性。本发明为无机械接触的模块化航天器结构被动连接提供了新的方法，在航天在轨装配和在轨服务技术方面具有广阔的应用前景。

Description

一种非接触式模块化航天器在轨对接方法及实施此方法的模拟装置

技术领域

本发明涉及非接触模块化航天器在轨对接方法及实施此方法的模拟装置，具体利用第II类高温超导体与电磁铁的磁通钉扎效应形成的非接触对接钉扎接口，可方便灵活实现了模块化航天器的在轨对接过程，此方法为大型航天器的在轨装配设计提供了新的对接实现手段。 

技术背景

随着深空探索的深入，构建大型航天器成为必然，而运载箭的载荷是有限的，利用模块化航天器在轨对接成为构建空间站的一种重要方式。目前采取的对接方法有中心对接机构、周边对接机构和停靠机构，而传统对接方式都有自身的局限性。中心对接机构具有承受较大的冲击载荷特点；周边对接机构要求的横向偏差与角度较小，要求控制系统性能更高；而停靠系统则需要较为复杂的机械臂系统和精确的控制系统；同时传统对接方法一般还存在对接速度较低，在对接过程中需要复杂精细的反馈控制，且存在着碰撞的风险。因此进一步研究和探讨新型对接机构具有重要意义。 

基于磁通钉扎效应非接触在轨对接方法利用了第II类高温超导体在超导态时与某一范围磁场间捕获磁力线的特性，形成结构简单的钉扎对接接口，该接口具有特殊的被动稳定和非接触的特点，既能准确的定向和定位，又能克服潜在的碰撞。同时该方法通过控制电磁铁的通电电流的大小和方向改变钉扎对接接口来完成最终对接的过程。由此可见，设想的非接触在轨对接方法为模块化航天器在轨对接提供了一种新的对接思路，在航天器对接上具有潜在广阔的应用前景。 

发明内容

本发明的目的是提供一种基于磁通钉扎效应的非接触模块化航天器在轨对接新方法，这是一种利用第II类高温超导体在超导态时与磁场间的相互作用而形成非接触连接方式，此连接形式具有足够高的刚度和阻尼，且不需要主动的反馈控制就能稳定保持对接模块间的相对方向和位置。 

根据提出的对接方法--基于磁通钉扎效应非接触模块化航天器对接，构建了模拟对接装置，模拟装置由单片机AT89S52控制系统进行总体顺序控制，控制电机丝杆螺母副、液体的通断和电磁铁的通断电来实现对接的整个过程。基本步骤为首先设定高温超导体7和电磁铁 A9间的非接触连接轴向距离，之后给电磁铁A9通电，之后冷却高温超导体，之后利用传统推进器的大距离转移作用使两模块航天器进入磁通钉扎作用的有效范围之内，之后给电磁铁B20上电，完成超导模块航天器27和电磁铁模块航天器28的对接过程，最终实现两模块航天器非接触连接。 

根据本发明，在整个对接过程中，设定预期的非接触连接轴向距离是通过电机丝杆螺母副来改变高温超导体7和电磁铁A9的距离来实现的，而此对接方法的巧妙之处在于高温超导体则由常用双组元传统液体推进器的液氢替代常用的液氮冷却剂来降温使高温超导体处于超导态，采用这种方式既可减少了增加液氮瓶的必要和充分利用传统推进器的成熟技术，又能使高温超导体极大低于临界温度(YBCO超导体临界温度为92K，液氮温度为77K，液氢温度为20K)，产生深冷效果，使高温超导体7的磁通钉扎能力进一步提高，从而使得超导模块航天器27和电磁铁模块航天器28的非接触连接刚度进一步增强。 

根据本发明，在完成场冷高温超导体实现设定的被动稳定平衡位置之后，电磁铁A9断电，其与高温超导体7之间的作用消失，缩回电磁铁A9时将不再影响高温超导体7内部钉扎的磁力线分布，从此保持设定好的钉扎平衡位置；而缩回电磁铁A9的目的是为电磁铁模块航天器的电磁铁B20处于设定的平衡位置腾出空间。 

根据本发明，充分利用了传统推进器系统采用的挤压式输送系统，具有结构比较简单，能重复启动和终止传统推进器的特点。 

根据本发明，利用了磁场容易通过改变电磁铁通电电流的大小和方向控制的特点与两个完全相同电磁铁A9和B20磁场的替代性，巧妙实现了设定的预期对接连接。 

本发明利用高温超导体与电磁铁的磁通钉扎效应实现了非接触模块化航天器对接的过程，具有控制简单、接口模块化、被动稳定、非接触和无碰撞的特点。并且通过电机丝杆螺母副改变预设的平衡位置和改变电磁铁B20的电流大小可实现不同距离的非接触连接形式。另外，通过改变电磁铁B20的电流方向和通断电很容易实现两模块航天器的连接和重构。 

附图说明

图1是非接触连接刚度曲线； 

图2是超导模块航天器的结构示意图； 

图3是电磁铁模块航天器的结构示意图； 

图4是模拟对接结构非接触连接的示意图； 

图5是对接过程控制流程图。 

具体实施方式

基于超导磁通钉扎的在轨对接模拟装置由超导模块航天器和电磁铁模块航天器所构成。超导模块航天器则由挤压式双组元液氢和液氧推进器、单片机AT89S52控制系统、电机驱动丝杆螺母副、特质高温超导体容器、高温超导体和电磁铁组成。其中最为关键的是特质高温超导体容器需具有较低的容器壁，连接在模块航天器的最前端，而电磁铁的一端固定在螺母上以便与电机驱动的丝杆配合运动缩回一定的距离，同时要求放在容器中的高温超导体与电磁铁同轴。电磁铁模块航天器是由挤压式双组元液氢和液氧推进器、单片机AT89S52控制系统和与超导模块航天器参数相同的电磁铁组成，电磁铁安装在此模块航天器的最前端。 

图1所示为在液氮实验条件下测量钉扎轴向力数据，利用第一类刚度计算公式 

计算得到的刚度与非接触距离间的关系曲线图，由此可知钉扎对接接口具有很强的刚度；图2所示超导模块航天器27的各个组成部分，电磁铁A9与电机丝杆螺母副6相连，高温超导体7固定在特质的超导容器8内并安装在超导模块航天器27的外端，电机转动可带动电磁铁A9沿轴向运动，液体通断电控开关分布在实现不同作用的位置；图3所示电磁铁模块航天器28的各个组成部分，电磁铁B20安装在电磁铁模块航天器28的外端，液体通断电控开关分布在实现不同作用的位置；图4所示对接后的非接触连接形式；图5所示顺序控制的流程图。 

非接触模块化航天器模拟装置对接过程的控制步骤： 

步骤1：在对接开始前，设定稳定平衡的位置，如图2所示，单片机AT89S52控制系统11启动电机转动，带动电磁铁A9沿轴向移动，直到达到预期的设定位置，停止电机的转动，使电磁铁A9停止运动； 

步骤2：通过单片机AT89S52控制系统11给电磁铁A9上电，通电电流大小为I₀，方向为右手握时顺时针，产生稳定的磁场； 

步骤3：利用单片机AT89S52控制系统11通过控制各液氢电控开关来决定液氢的流向，使高温超导体冷却，构造场冷冷却的被动稳定平衡位置； 

步骤4：通过单片机AT89S52控制系统11给电磁铁A9断电，使电磁铁A9的磁场消失； 

步骤5：利用单片机AT89S52控制系统11启动伺服电机使电磁铁A9轴向缩回至少电磁铁A9厚度的距离，为之后对接过程做准备； 

步骤6：利用单片机AT89S52控制系统11控制各液体电控开关和点火开关，启动超导模块航天器27的传统推进器，同时利用单片机AT89S52控制系统19控制各液体电控开关和点火开关，启动电磁铁模块航天器28的传统推进器，如图3所示，大范围机动缩小超导模块航天器27和电磁铁模块航天器28的距离，直到两模块间的距离进入钉扎作用的有效范围之内，停止两个传统推进器的作用； 

步骤7：利用单片机AT89S52控制系统19给电磁铁B20上电，通电电流大小为I₀，方向为右手握时顺时针，产生与电磁铁A9通电时一样的稳定磁场，由于高温超导体和电磁铁B20的钉扎作用吸引电磁铁模块航天器28到达设定的平衡位置，至此完成超导模块航天器27和电磁铁模块航天器28的对接过程。 

本发明所提出的模块化航天器在轨对接方法，无需机械连接就可完成相应模块的定位、定向和装配，具有较高的在轨装配安全性和健壮性，在航天在轨装配和在轨服务技术方面具有广阔的应用前景。其具体的优势体现在： 

(1)此钉扎对接接口不需主动控制，只需简单控制各开关的顺序就能实现在轨对接的最终过程； 

(2)该在轨对接方法充分利用了传统推进系统挤压式输送系统成熟的技术，且为深冷高温超导体提供了冷却介质，极大增强了非接触连接的刚度，提高了两模块航天器间的抗干扰能力； 

(3)此模块化航天器连接系统可方便通过改变电磁铁的电流大小和方向，形成被动稳定连接和解除连接，因此具有很容易实现航天器的对接和分离过程。 

Claims (5)

1.一种非接触式模块化航天器在轨对接方法，该方法包括以下步骤：

通过在模块化的对接结构连接处设计布置磁体和高温超导体形成超导磁体对；

通过常用的双组元液体推进器的液氢单元冷却对接装置中的高温超导体，使其进入场冷态；

通过单片机控制系统控制调整场冷态下高温超导体与模块自身磁体间的平衡位置；

通过对接模块的双组元液体推进器使二者逼近超导磁体对作用范围；

通过对接模块内的单片机控制系统调整超导磁体对形成可靠稳定的非接触连接。

前述步骤的实现有赖于高温超导体在场冷状态时捕获磁力线的特性，超导电流在空间上产生磁场与磁体产生的磁场相互作用可形成被动稳定的非接触连接，此连接可比拟弹簧阻尼连接具有很高的刚度和阻尼。

2.一种用于实施权利要求1中所述方法的模拟对接装置，其特征在于：所述模拟对接装置由模块连接部位由设计安装了高温超导体的超导模块航天器(27)和安装了电磁铁的模块航天器(28)组成。其中超导模块航天器(27)对接开始时需要先设定稳定平衡位置，步骤为：由单片机AT89S52控制系统(11)控制电机驱动丝杆螺母副(6)改变高温超导体(7)和电磁铁A(9)间的轴向距离，达到预期的距离d，停止电机转动使两者的距离保持不变；然后由单片机AT89S52控制系统(11)给电磁铁A(9)通电，通电电流为大小为I0，方向为右手握时顺时针；最后由单片机AT89S52控制系统(11)控制电控开关(4)、(5)、(12)和(14)，使高压气瓶(10)的高压气体进入液氢瓶(13)中，压迫液氢沿管道进入超导容器(8)中，冷却高温超导体(7)构成场冷冷却的状态，从而达到超导体场冷态下的预平衡位置。

预平衡位置调定后，对接正式开始。步骤为：由单片机AT89S52控制系统(11)使电磁铁A(9)断电；由单片机AT89S52控制系统(11)控制电机驱动丝杆螺母副(6)缩短高温超导体(7)和电磁铁A(9)间的轴向距离，使电磁铁A(9)缩回至少电磁铁A(9)厚度的距离；由单片机AT89S52控制系统(11)控制电控开关(1)、(3)和(15)，使高压气瓶(10)的高压气体进入液氧瓶(2)和打开液氢进入推进器腔的通道，使液氧和液氢在超导模块航天器(27)的推进器内充分混合，并由单片机AT89S52控制系统(11)控制其点火，同时由单片机AT89S52控制系统(19)控制打开开关(22)、(23)、(24)、(25)、(26)和(16)，使高压气瓶(21)的高压气体进入液氧瓶(17)和液氢瓶(18)中，使液氧和液氢在电磁铁模块航天器(28)的推进器内充分混合，并由单片机AT89S52控制系统(19)控制其点火，两侧同时驱动传统推进器，机动控制超导模块航天器(27)和电磁铁模块航天器(28)的距离，当两模块距离等于7cm，由AT89S52控制系统(11)控制关闭开关(1)和(3)，由单片机AT89S52控制系统(19)控制打开开关(22)、(23)、(24)、(25)、(26)和(16)，停止传统推进器的推进；由单片机AT89S52控制系统(19)给电磁铁B(20)通电，通电电流为大小为I0，方向为右手握时顺时针。

3.如权利要求1-2中的所述方法和模拟装置，其特征在于，充分利用高温超导体磁力线捕获特性构建被动的稳定连接，可比拟弹簧阻尼连接具有很高的刚度和阻尼，模拟装置利用传统推进器常用的双组元液体推进器的液氢瓶(13)的液氢冷却高温超导体，使其在场冷下与可控电磁铁形成被动稳定的非接触连接。

4.如权利要求1-2中的所述的方法和模拟装置，其特征在于，利用完全相同的电磁铁A(9)和电磁铁B(20)，通电电流大小和方向都相同，产生完全相同的磁场，通过控制其通电有无和磁场的替代性，完成两模块非接触的连接过程。

5.如权利要求1-2中的所述的方法和模拟装置，其特征在于，可利用单片机AT89S52控制系统(19)控制电磁铁B(20)的电流大小和方向改变其非接触的距离和实现超导模块航天器(27)和电磁铁模块航天器(28)的自由重构。

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