CN103407586A - 电磁对接系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁对接系统，包括主动系统及被动系统，主动系统上平行相间设有第一电磁线圈及第二电磁线圈；被动系统上平行相间设有第三电磁线圈及第四电磁线圈。其中，第一电磁线圈与第三电磁线圈在对接过程中产生引力，第二电磁线圈与第四电磁线圈在对接过程中产生斥力。本发明通过在主动系统及被动系统上分别设置一大一小的两个电磁线圈，在对接过程中，主动系统与被动系统在系统初始速度及两个大线圈之间产生的引力作用下靠近，且在靠近过程中，经两个小线圈产生的斥力减缓主动系统与被动系统之间的对接速度直至达到平衡静止状态。实现了没有控制系统介入的情况下主动系统与被动系统的自主柔性对接。

Description

电磁对接系统

技术领域

本发明涉及空间交会对接技术领域，特别地，涉及一种用于空间交会对接的电磁对接系统。

背景技术

空间交会对接技术是实施在轨加注、在轨维修、空间救援、空间组装等高难度空间任务的基础，也是进行空间对抗的手段之一。因此，自主交会对接技术的发展将使空间技术得到更为广泛的应用。

目前，常用的空间交会对接技术主要是基于推力器实现的。存在一些亟待解决的问题，如：避免或减小碰撞过程产生的不确定性；消除推力器带来的羽流污染和冲击载荷；能源的消耗等。运用柔性电磁对接便可有效避免上述问题。因此，电磁对接成为空间技术发展研究的重要课题之一。

电磁对接系统是指将电磁力和力矩作为航天器之间的相对运动的控制动力而应用于某些特定空间活的装置。目前国外一些机构进行了相关领域的初步研究，如验证电磁力在卫星编队保持中的可行性，又如通过控制电磁力完成空间中小型卫星的对接与分离。随着高效电磁材料的投入使用和电磁系统结构形式的深入研究，航天器上电磁系统的电磁作用距离和控制能力将进一步提高，电磁力和力矩的空间应用范围将得到更大的拓展。

目前将电磁力运用到空间对接系统的技术属于新领域，现有技术的主要思想是将电磁铁分布于一个平面内，分别位于两对接机构两侧；利用控制程序，对各个电磁铁的电流大小进行控制，从而实现对电磁力和电磁力矩的控制。在对接过程中，通过电磁力的和力矩的作用，修正两对接机构的轨道和姿态，最终完成对接和分离过程。现有的电磁对接系统，利用控制程序校正对接结构的轨道及姿态，装置结构复杂、成本高且控制要求高。

发明内容

本发明目的在于提供一种电磁对接系统，以解决现有的空间电磁对接控制要求高、可行性低的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种电磁对接系统，包括主动系统及被动系统，

主动系统上平行相间设有第一电磁线圈及第二电磁线圈；

被动系统上平行相间设有第三电磁线圈及第四电磁线圈；

第一电磁线圈相对于第二电磁线圈在轴向上远离被动系统，第三电磁线圈相对于第四电磁线圈在轴向上靠近主动系统；

第一电磁线圈、第三电磁线圈及第四电磁线圈的通电电流方向相同，第二电磁线圈的通电电流方向与第一电磁线圈、第三电磁线圈及第四电磁线圈的通电电流方向相反；

第一电磁线圈、第三电磁线圈的外径相匹配，第二电磁线圈、第四电磁线圈的外径相匹配，且第一电磁线圈、第三电磁线圈的外径大于第二电磁线圈、第四电磁线圈的外径；

第一电磁线圈与第三电磁线圈在对接过程中产生引力，第二电磁线圈与第四电磁线圈在对接过程中产生减缓主动系统与被动系统间的对接速度直至平衡静止状态的斥力。

进一步地，主动系统包括对接杆，对接杆远离被动系统的一端设有基座，第一电磁线圈缠绕在基座的外周面，第二电磁线圈缠绕在对接杆靠近被动系统的一端的外周面。

进一步地，被动系统包括内部空心的对接锥，对接锥的锥口朝向主动系统，对接锥的锥顶远离主动系统，第三电磁线圈缠绕在锥口的外周面，第四电磁线圈缠绕在锥顶的外周面，对接杆的长度与对接锥轴向的长度相匹配，基座为与锥口相吻合的圆形。

进一步地，对接杆靠近被动系统的一端设有便于缠绕第二电磁线圈的对接部，锥顶处相应设有容纳对接部的圆环段，第四电磁线圈缠绕在圆环段的外圆周面。

进一步地，对接部呈圆柱状，对接部朝向被动系统的端部为弧形凸顶。

进一步地，第一电磁线圈、第三电磁线圈的外径与对接杆的长度成比例关系。

进一步地，对接锥轴向的长度与对接杆的长度成比例关系。

本发明具有以下有益效果：

本发明空间电磁对接系统，通过在主动系统及被动系统上分别设置一大一小的两个电磁线圈，在对接过程中，主动系统与被动系统在系统初始速度及两个大线圈之间产生的引力作用下靠近，且在靠近过程中，经两个小线圈产生的斥力减缓主动系统与被动系统之间的对接速度直至达到平衡静止状态。本发明电磁对接系统实现了没有控制系统介入的情况下主动系统与被动系统的自主柔性对接，且具有对接无冲击力、不消耗工质、结构简单及便于控制实现的优点。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例电磁对接系统的立体结构示意图；

图2是图1的平面结构示意图；

图3是对接距离和对接系统电磁能的关系示意图；

图4是对接距离和对接系统机械能的关系示意图；以及

图5是对接系统对接速度的变化示意图。

附图标记说明：

10、第一电磁线圈；20、第二电磁线圈；30、第三电磁线圈；

40、第四电磁线圈；50、主动系统；51、对接杆；511、对接部；

511a、弧形凸顶；52、基座；60、被动系统；61、对接锥；

611、锥口；612、锥顶；612a、圆环段。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

参照图1及图2，本发明的优选实施例提供了一种电磁对接系统，包括主动系统50及被动系统60。其中，主动系统50上平行相间设有第一电磁线圈10及第二电磁线圈20；被动系统60上平行相间设有第三电磁线圈30及第四电磁线圈40。第一电磁线圈10相对于第二电磁线圈20在轴向上远离被动系统60，第三电磁线圈30相对于第四电磁线圈40在轴向上靠近主动系统50。第一电磁线圈10、第三电磁线圈30及第四电磁线圈40的通电电流方向相同，第二电磁线圈20的通电电流方向与第一电磁线圈10、第三电磁线圈30及第四电磁线圈40的通电电流方向相反；第一电磁线圈10、第三电磁线圈30的外径相匹配，第二电磁线圈20、第四电磁线圈40的外径相匹配，且第一电磁线圈10、第三电磁线圈30的外径大于第二电磁线圈20、第四电磁线圈40的外径。由电磁特性可知，电磁线圈的半径与作用距离成正比，因此，当主动系统50与被动系统60距离较远时，第一电磁线圈10与第三电磁线圈30之间产生的引力远大于两系统的斥力。这样，在主动系统50的初始速度及第一电磁线圈10与第三电磁线圈30之间的电磁引力作用下，主动系统50逐渐靠近被动系统60。随着主动系统50与被动系统60之间的距离缩短，第二电磁线圈20与第四电磁线圈40在对接过程中产生减缓主动系统50与被动系统60间的对接速度直至平衡静止状态的斥力。最终，主动系统50与被动系统60在第一电磁线圈10与第三电磁线圈30间的引力和第二电磁线圈20与第四电磁线圈40间的斥力作用下受力达到平衡，且相对速度为0m/s，实现了在没有控制系统介入的情况下的对接过程。本实施例通过在主动系统50及被动系统60上分别设置一大一小的两个电磁线圈，在对接过程中，主动系统50与被动系统60在系统初始速度及两个大线圈之间产生的引力作用下靠近，且在靠近过程中，经两个小线圈产生的斥力减缓主动系统与被动系统之间的对接速度直至达到平衡静止状态。本发明电磁对接系统实现了没有控制系统介入的情况下主动系统50与被动系统60的自主柔性对接，且具有对接无冲击力、不消耗工质、结构简单及便于控制实现的优点。

在本实施例中，设置在主动系统50上的第一电磁线圈10、第二电磁线圈20及设置在被动系统60上的第三电磁线圈30、第四电磁线圈40的参数主要涉及到线圈的匝数、通电电流的大小及线圈的外径，本领域技术人员可以根据对接系统的要求，通过仿真实验来完成参数设置工作。其中，电磁线圈的通电电流及匝数的设置受到太空电池以及相关技术的发展约束，并根据工程应用实际情况设定合理数值；第一电磁线圈10、第三电磁线圈30的外径取决于主动星和被动星控制精度，精度越高，线圈半径越小、能量消耗越少；第二电磁线圈20、第四电磁线圈40的外径根据主动星对接速度和质量确定，确保在有效距离内提供足够大斥力进行缓冲。

在本实施例中，优选地，主动系统50包括对接杆51，对接杆51远离被动系统60的一端设有基座52，第一电磁线圈10缠绕在基座52的外周面，第二电磁线圈20缠绕在对接杆51靠近被动系统60的一端的外周面。被动系统60包括内部空心的对接锥61，对接锥61的锥口611朝向主动系统50，对接锥61的锥顶612远离主动系统50，第三电磁线圈30缠绕在锥口611的外周面，第四电磁线圈40缠绕在锥顶612的外周面，对接杆51的长度与对接锥61轴向的长度相匹配，基座52为与锥口611相吻合的圆形。当主动系统50的对接杆51未进入被动系统60的对接锥61时，第一电磁线圈10与第三电磁线圈30间产生的吸力大于第二电磁线圈20与第四电磁线圈40间产生的斥力，连个系统会逐步靠近；且由于第二电磁线圈20与第三电磁线圈30通电电流方向相反，二者产生的磁极极性同极相对，在斥力的作用下修正对接杆51与对接锥61间的对接角度，使对接杆51顺利通过对接锥61的锥口611；当对接杆51进入对接锥61时，第二电磁线圈20与第四电磁线圈40间产生强斥力，减缓对接速度；最终两系统在第二电磁线圈20与第四电磁线圈40间的斥力和第一电磁线圈10与第三电磁线圈30间的引力作用下受力达到平衡，且相对速度为0m/s，在没有控制系统介入的情况下完成对接过程。其中，对接杆51的长度与第一电磁线圈10、第三电磁线圈30的外径成比例关系，具体的比例系数可经试验验证得出；对接锥61轴向长度与对接杆51的长度成比例关系。

优选地，对接杆51靠近被动系统60的一端设有便于缠绕第二电磁线圈20的对接部511，锥顶612处相应设有容纳对接部511的圆环段612a，第四电磁线圈40缠绕在圆环段612a的外圆周面。在本实施例中，对接部511呈圆柱状，且对接部511朝向被动系统60的端部为弧形凸顶511a，从而减缓了对接部511与锥顶612对接时的冲击力，便于实现主动系统50与被动系统60间的柔性对接。

在具体实施例中，主动系统50及被动系统60采用的仿真参数参照表1，

表1 仿真参数

利用上述仿真参数获得的仿真结果参照图3至图5。图3示出了对接距离和对接系统电磁能的关系。由图3可知，电磁能在两系统由远及近的对接过程中，先是在第一电磁线圈10与第三电磁线圈30吸引的作用下从0减小至-2.5焦，随后在第二电磁线圈20与第四电磁线圈40的斥力起主要作用的0至3米距离内急速增加至2焦。图4示出了对接距离和对接系统机械能的关系。根据能量守恒定律，与图3相对应，图4所示的对接系统的机械能在对接过程中，先是增加，随后减小至0。图5示出了对接系统对接速度的变化。图5中，横坐标为对接距离，纵坐标为主动系统的速度，初速度为0.2米每秒，在30米处受到被动系统60与主动系统50受到第一电磁线圈10与第三电磁线圈30间的引力加速靠近，在距离3米处速度达到最大值，此时对接杆51已经通过对接锥61的锥口611，并滑向锥顶612。主动系统50与被动系统60在第二电磁线圈20与第四电磁线圈40的斥力作用下，在1米处两系统相对速度减至0米每秒，处于相对静止状态，此时对接系统完成柔性对接。

由仿真结果可知，本实施例电磁对接系统的设计满足对接需求，在没有电流控制的情况下，利用电磁特性和结构设计，在不同距离产生相应的作用力，将机械能转化为电磁能，实现空间柔性对接。

本发明电磁对接系统为分析空间交会对接技术，提供了一种全新的电磁对接设计方案，利用电磁特性结合结构设计，系统在对接过程中经过加速吸引、修正方向、缓冲减速三个阶段，实现自主柔性对接。整个对接过程中且具有对接无冲击力、不消耗工质、结构简单及便于控制实现的优点。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种电磁对接系统，其特征在于，包括主动系统(50)及被动系统(60)，

所述主动系统(50)上平行相间设有第一电磁线圈(10)及第二电磁线圈(20)；

所述被动系统(60)上平行相间设有第三电磁线圈(30)及第四电磁线圈(40)；

所述第一电磁线圈(10)相对于所述第二电磁线圈(20)在轴向上远离所述被动系统(60)，所述第三电磁线圈(30)相对于所述第四电磁线圈(40)在轴向上靠近所述主动系统(50)；

所述第一电磁线圈(10)、第三电磁线圈(30)及第四电磁线圈(40)的通电电流方向相同，所述第二电磁线圈(20)的通电电流方向与所述第一电磁线圈(10)、第三电磁线圈(30)及第四电磁线圈(40)的通电电流方向相反；

所述第一电磁线圈(10)、第三电磁线圈(30)的外径相匹配，所述第二电磁线圈(20)、第四电磁线圈(40)的外径相匹配，且所述第一电磁线圈(10)、第三电磁线圈(30)的外径大于所述第二电磁线圈(20)、第四电磁线圈(40)的外径；

所述第一电磁线圈(10)与所述第三电磁线圈(30)在对接过程中产生引力，所述第二电磁线圈(20)与所述第四电磁线圈(40)在对接过程中产生减缓所述主动系统(50)与所述被动系统(60)间的对接速度直至平衡静止状态的斥力。

2.根据权利要求1所述的电磁对接系统，其特征在于，

所述主动系统(50)包括对接杆(51)，所述对接杆(51)远离所述被动系统(60)的一端设有基座(52)，所述第一电磁线圈(10)缠绕在所述基座(52)的外周面，所述第二电磁线圈(20)缠绕在所述对接杆(51)靠近所述被动系统(60)的一端的外周面。

3.根据权利要求2所述的电磁对接系统，其特征在于，

所述被动系统(60)包括内部空心的对接锥(61)，所述对接锥(61)的锥口(611)朝向所述主动系统(50)，所述对接锥(61)的锥顶(612)远离所述主动系统(50)，所述第三电磁线圈(30)缠绕在所述锥口(611)的外周面，所述第四电磁线圈(40)缠绕在所述锥顶(612)的外周面，所述对接杆(51)的长度与所述对接锥(61)轴向的长度相匹配，所述基座(52)为与所述锥口(611)相吻合的圆形。

4.根据权利要求3所述的电磁对接系统，其特征在于，

所述对接杆(51)靠近所述被动系统(60)的一端设有便于缠绕所述第二电磁线圈(20)的对接部(511)，所述锥顶(612)处相应设有容纳所述对接部(511)的圆环段(612a)，所述第四电磁线圈(40)缠绕在所述圆环段(612a)的外圆周面。

5.根据权利要求4所述的电磁对接系统，其特征在于，

所述对接部(511)呈圆柱状，所述对接部(511)朝向所述被动系统(60)的端部为弧形凸顶(511a)。

6.根据权利要求3至5任一项所述的电磁对接系统，其特征在于，

所述第一电磁线圈(10)、第三电磁线圈(30)的外径与所述对接杆(51)的长度成比例关系。

7.根据权利要求6所述的电磁对接系统，其特征在于，

所述对接锥(61)轴向的长度与所述对接杆(51)的长度成比例关系。

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