CN106672269A - 纳卫星电磁对接重构设备的设计方法 - Google Patents

纳卫星电磁对接重构设备的设计方法 Download PDF

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CN106672269A CN201710021160.8A CN201710021160A CN106672269A CN 106672269 A CN106672269 A CN 106672269A CN 201710021160 A CN201710021160 A CN 201710021160A CN 106672269 A CN106672269 A CN 106672269A
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陈雯雯
慕忠成
王玮
孙国文
张科科
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    • B64G1/22—Parts of, or equipment specially adapted for fitting in or to, cosmonautic vehicles
    • B64G1/64—Systems for coupling or separating cosmonautic vehicles or parts thereof, e.g. docking arrangements
    • B64G1/646—Docking or rendezvous systems
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64G—COSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
    • B64G1/00—Cosmonautic vehicles
    • B64G1/10—Artificial satellites; Systems of such satellites; Interplanetary vehicles

Abstract

本发明公开了纳卫星电磁对接重构设备的设计方法，包括：步骤101、建立第一电磁力设备和第二电磁力设备的吸引力约束，所述第一电磁力设备和第二电磁力设备分别与对接的两个纳卫星的卡锁相连接；步骤102、根据发热平衡约束设计磁棒参数；步骤103、根据线圈安匝数约束确定线圈线径；步骤104、根据步骤101至103建立的约束条件设计第一电磁力设备和第二电磁力设备。

Description

纳卫星电磁对接重构设备的设计方法
技术领域
本发明涉及纳卫星领域，特别涉及纳卫星电磁对接重构设备的设计方法。
背景技术
借助对接机构可实现多个独立飞行器在空间的刚性连接，对接过程中，对接机构的主动端对被动端捕获和锁紧，《载人航天》2016年第22(1)期，93-98页公开的“一种微型航天器对接机构的设计研究[J]”对对接机构的捕获和锁紧过程进行了阐述。纳卫星对接技术旨在利用多个体积小、重量轻的纳卫星通过空间交汇对接，实现功能重构，组合任务等，以较低的成本替代传统大型纳卫星，甚至突破单颗纳卫星的任务限制，强化空间协作。
对接是一个精准的空间操作，需要相对距离估计、自动避撞、自动捕获、对接扰动稳定的功能，此外需要精确的导航策略和传感器，Roscoe C W T,Griesbach J D,WestphalJ J,et al.Force modeling and state propagation for navigation and maneuverplanning for CubeSat rendezvous,proximity operations,and docking[J].Advancesin the Astronautical Sciences,2014,150:573-590对此进行了阐述。目前对接采用复杂的对接锁紧机构，对接系统的体积、重量和能耗都无法适应纳卫星应用，并且限于微纳卫星本身的控制精度和导航对接设备的复杂性，要求纳卫星的对接设备能实现一定程度的自动对准，并考虑对接过程中推力器排出羽流将会给对接任务带来不利的影响，希望在近距离接近时，无需推进，实现末段自主对接。
电磁对接利用磁力产生两个纳卫星间的相互吸引力，能耗少且自主性高，大大降低了纳卫星的系统要求。目前基于纳卫星的电磁对接的研究主要有英国Surrey的STRaND纳卫星，Tyvak的CPOD任务以及OAAN(微纳纳卫星在轨自动组装)近距离对接的仿真分析。设计普遍考虑使用永磁铁设计磁对接和锁紧设备。
在安装误差和发射振动影响下，永磁铁对整星的磁性影响不可能通过安装布局完全抵消，尤其是体积紧凑的立方体纳卫星，无法预计的磁性影响会导致纳卫星姿态控制失效。已有的研究较少考虑空间环境的特异性，仅关注力、力矩及机构本身，基于电磁铁的对接分离机构的设计方法研究尚未见公开发表的文献。
发明内容
本发明解决的问题是现有磁对接和锁紧装置采用永磁铁，永磁铁对整星影响无法消除；为解决所述问题，本发明提供纳卫星电磁对接重构设备的设计方法。
本发明提供的纳卫星电磁对接重构设备的设计方法包括：
步骤101、建立第一电磁力设备和第二电磁力设备的吸引力约束，所述第一电磁力设备和第二电磁力设备分别与对接的纳卫星的卡锁锁被连接；
步骤102、根据发热平衡约束设计磁棒参数；
步骤103、根据线圈安匝数约束确定线圈线径；
步骤104、根据步骤101至103建立的约束条件设计第一电磁力设备和第二电磁力设备。
进一步，第一电磁力设备和第二电磁力设备均采用一根绕线磁棒，吸引力约束关系为：其中，为相对距离的单位矢量；两个线圈的长度矢量分别为L1、L2，线圈电流为I1、I2，μr为磁芯磁导率。
进一步，发热平衡方程为P＝a1Sa+a2SM，P为发热平衡功率，Sa、SM分别表示与空气和金属接触的散热面，a1、a2分别表示单位散热面上所散出的功率，a1、a1是由线圈厚度和类型得到的经验值，P不大于卫星空间内允许的发热功率上限。
进一步，所述第一线圈的线径为：为第一线圈安匝数，P1为第一线圈功率，A01为第一线圈窗口截面积。为所述第一电磁力设备的一匝线圈平均长度，De1为第一线圈的外径，Di1为第一电磁力设备的第一磁芯的直径。
进一步，所述第二线圈的线径为：为所述第二电磁力设备的一匝线圈平均长度，De2为第二线圈的外径，Di2为第二电磁力设备的第二磁芯的直径，为第二线圈安匝数，P2为第二线圈功率，A02为第二线圈窗口截面积。
本发明的优点包括：采用电磁对接，根据两纳卫星对接的吸引力约束、热平衡约束、线圈安匝数约束设计第一电磁力设备和第二电磁力设备；通过控制驱动电路控制第一电磁力设备和第二电磁力设备的线圈中的电流的大小和方向，控制电磁力设备和第二电磁力设备之间的作用力的方向和大小，从而控制分别与第一电磁力设备和第二电磁力设备连接的第一卡锁设备和第二卡锁设备之间的作用力的方向和大小，从而实现与第一卡锁设备和第二卡锁设备连接的第一纳卫星和第二纳卫星的对接和分离。
附图说明
图1为本发明实施例提供的纳卫星电磁对接重构设备的绕线磁棒对接运动示意图
图2为本发明实施例提供的纳卫星电磁对接重构设备的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的纳卫星电磁对接重构设备设计流程图；
图4为本发明实施例提供的纳卫星电磁对接重构设备的约束域平面图。
具体实施方式
下文中，结合附图和实施例对本发明的精神和实质作进一步阐述。
如图1所示，本发明提供的纳卫星电磁对接重构设备，包括：第一卡锁设备33、第二卡锁设备44；还包括：与第一卡锁设备33连接的第一电磁力设备11，与第二卡锁设备44连接的第二电磁力设备22；对接时，所述第一电磁力设备11和第二电磁力设备22之间的磁力为吸引力。所述第一卡锁设备安装于第一纳卫星，第二卡锁设备安装于第二纳卫星。
如图2所示，所述第一电磁力设备和第二电磁力设备结构相同，所述第一电磁力设备包括至少一根绕线磁棒01，与所述绕线磁棒电连接的驱动电路02，所述驱动电路02包括电流大小调节器和电流方向调节器，还包括供电电路03。为节省空间，所述第一电磁力设备和第二电磁力设备共用供电电路03。通过电流大小调节器调节，比如PWM，调节第一电磁力设备和第二电磁力设备之间的作用力的大小；通过电流方向调节器，比如反向器，调节第一电磁力设备和第二电磁力设备内电流的方向，调节第一电磁力设备和第二电磁力设备之间作用力的方向。
本发明实施例提供的纳卫星电磁对接重构设备可以与任意卡锁设备相配合，对接模式下，第一电磁力设备的第一线圈和第二电磁力设备的第二线圈电流方向相同，第一电磁力设备和第二电磁力设备相对端磁性相反、产生吸引力，第一电磁力设备连接的第一卡锁设备和第二电磁力设备连接的第二卡锁设备对接；分离模式下，第一电磁力设备的第一线圈和第二电磁力设备的第二线圈电流方向相反，第一电磁力设备和第二电磁力设备相对端磁性相同、产生排斥力，第一电磁力设备连接的第一卡锁设备和第二电磁力设备连接的第二卡锁设备分离。
一个实施例中，所述第一卡锁设备为接纳锥，所述第二卡锁设备为对接杆；所述接纳锥内设有卡扣；所述对接杆上设有档位；所述卡扣与所述档位均是由弹性材料制成的；所述接纳锥与所述对接杆成锁匙结构。
在本实施例中，以所述第一电磁力设备和第二电磁力设备分别采用一根绕线磁棒为例，对本发明实施例提供的那卫星电磁对接重构设备的设计方法进行示意性阐述，在本发明的其他实施例中，可以灵活调整绕线磁棒的数量，采用与本实施例相同的原理设计绕线磁棒的参数。本发明实施例提供的那卫星电磁对接重构设备的设计方法包括：
步骤S101，根据毕奥-萨伐尔定律计算电磁作用力，由HCW轨道动力学方程计算纳卫星对接所需吸引力，结合锁紧机构力学实验计算所需要的分离力，从而得到第一电磁力设备和第二电磁力设备的吸引力约束。
由毕奥-萨伐尔定律得到载流导线周围磁场与电流的定量关系为：
式中，μ0为真空磁导率；r为空间点P与电流元Idl的距离矢量；线圈作用力的精确模型公式为：
即两个通电单匝线圈的作用力公式，即吸引力约束关系如下：
其中，为相对距离的单位矢量。两个线圈的长度矢量分别为L1、L2，线圈电流为I1、I2，μr为磁芯磁导率。多匝绕线线圈作用力为单匝绕线线圈作用力的匝数倍。
步骤S102，根据发热平衡约束设计磁棒参数，所述磁棒参数包括磁芯材料、直径、长度及绕线后的外径。
磁芯材料选择低磁滞的软磁合金材料。磁芯直径由纳卫星的重量和体积限制，长度由线圈长度确定。
由于线圈带负载并且绕线线圈和磁芯金属间有热传导，在密闭的卫星空间内有允许发热功率上限，磁棒参数还需满足发热平衡约束。本实施例中，采用漆包线制作的绕线磁棒的发热平衡方程可由下述公式表示：
P＝a1Sa+a2SM
式中，P为发热平衡功率，Sa、SM分别表示与空气和金属接触的散热面，a1、a2分别表示单位散热面上所散出的功率，a1、a2是由线圈厚度和类型得到的经验值。如图4所示，发热平衡功率与线圈安匝数(磁势)、线径直接相关，在发热功率和安匝数的约束下可选择合适的线径，线圈选择范围如图中三角斜线阴影区域Ⅰ所示。
步骤S103、根据线圈安匝数约束确定线圈线径。根据线圈线径的约束筛选线圈。
所述第一线圈的线径为：为第一线圈安匝数，P1为第一线圈功率，A01为第一线圈窗口截面积。为所述第一电磁力设备的一匝线圈平均长度，De1为第一线圈的外径，Di1为第一电磁力设备的第一磁芯的直径，。
进一步，所述第二线圈的线径为：为所述第二电磁力设备的一匝线圈平均长度，De2为第二线圈的外径，Di2为第二电磁力设备的第二磁芯的直径，为第二线圈安匝数，P2为第二线圈功率，A02为第二线圈窗口截面积。
步骤S104、根据步骤101至103建立的约束条件设计第一电磁力设备和第二电磁力设备。
所缠绕导线和对接重构设备中各部件均采用工业上获得的产品，并需要同时满足吸引力约束、热平衡功率约束以及线圈安匝数约束。以线圈线径为例，线圈的线径不止与线圈中电流相关，还会影响到线圈的安匝数，所以可能会需要反复调试，直至所有吸引力约束关系中各数值不可能选取任意理论值。由图4所示的约束域图来调整绕线线圈，最终得到设计结果满足要求的电磁对接机构。
综上，本发明提供的纳卫星电磁对接重构设备综合考虑了吸引力约束、发热平衡约束、安匝数约束，利用电磁铁本身的特性，只需结合简单的卡锁机构，无需复杂的对接设备和导航控制方案，即可实现自主的对接，解决了现有卫星对接机构复杂，无法适应微纳卫星应用的问题。另外，电驱动产生的电磁力只存在对接分离过程中，不会在其他阶段产生电磁干扰问题，设计具有更好的可靠性。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (5)

1.纳卫星电磁对接重构设备的设计方法，其特征在于，包括：
步骤101、建立第一电磁力设备和第二电磁力设备的吸引力约束，所述第一电磁力设备和第二电磁力设备分别与对接的两个纳卫星的卡锁相连接；
步骤102、根据发热平衡约束设计磁棒参数；
步骤103、根据线圈安匝数约束确定线圈线径；
步骤104、根据步骤101至103建立的约束条件设计第一电磁力设备和第二电磁力设备。
2.依据权利要求1所述的纳卫星电磁对接重构设备的设计方法，其特征在于，第一电磁力设备和第二电磁力设备均采用一根绕线磁棒，吸引力约束关系为：其中，为相对距离的单位矢量；两个线圈的长度矢量分别为L1、L2，线圈电流为I1、I2，μr为磁芯磁导率。
3.依据权利要求1所述的纳卫星电磁对接重构设备的设计方法，其特征在于，发热平衡方程为P＝a1Sa+a2SM，P为发热平衡功率，Sa、SM分别表示与空气和金属接触的散热面，a1、a2分别表示单位散热面上所散出的功率，a1、a2是由线圈厚度和类型得到的经验值，P不大于卫星空间内允许的发热功率上限。
4.依据权利要求2所述的纳卫星电磁对接重构设备的设计方法，其特征在于，所述第一线圈的线径为：为第一线圈安匝数，P1为第一线圈功率，A01为第一线圈窗口截面积。为所述第一电磁力设备的一匝线圈平均长度，De1为第一线圈的外径，Di1为第一电磁力设备的第一磁芯的直径。
5.依据权利要求2所述的纳卫星电磁对接重构设备的设计方法，其特征在于，所述第二线圈的线径为：为所述第二电磁力设备的一匝线圈平均长度，De2为第二线圈的外径，Di2为第二电磁力设备的第二磁芯的直径，为第二线圈安匝数，P2为第二线圈功率，A02为第二线圈窗口截面积。
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