CN108263645B - 针对空间自旋目标抓捕及消旋的地面物理仿真试验系统 - Google Patents

Abstract

了解决现有空间目标的力学状态模拟存在无法实现对目标的有效消旋及多次重复抓捕目标的任务的问题，本发明提供一种针对空间自旋目标抓捕及消旋的地面物理仿真试验系统，属于空间操控系统及空间目标的地面零重力模拟领域。本发明包利用六自由度模拟器模拟空间目标自旋状态，利用气浮和喷气模拟服务飞行器的三自由度运动及零重力状态；六自由度机械臂携带自旋跟踪手爪装置对自旋的空间目标的自旋角速度及自旋轴进行跟踪及抓捕；抓捕过程中的角动量传递至服务飞行器，采用反向喷气消旋；本发明的结构能够有效消旋，并实现了抓捕和消旋一体化，可多次重复抓捕目标。

Description

针对空间自旋目标抓捕及消旋的地面物理仿真试验系统

技术领域

本发明涉及一种在地面重力环境下对空间自旋目标实施抓捕和消旋的试验系统，属于空间操控系统及空间目标的地面零重力模拟领域。

背景技术

空间失效卫星以及碎片的逐年增加极大地占据了宝贵的轨道空间，其中一些目标还带有较为高速的自旋属性，角动量较大，这些都给正常在轨运行飞行器的安全带来重大隐患。因此，开展空间目标在轨抓捕任务的需求极为迫切，但针对空间非合作自旋目标的在轨抓捕目前尚未成功实施过，开展真实在轨捕获之前，在地面进行相关的物理仿真试验是非常必要的。地面开展物理仿真试验需要克服重力等因素带来的动力学特性不准确等影响，尽可能精确地模拟出空间目标抓捕以及消旋过程中的真实运动学状态。在地面重力环境下实现空间非合作自旋目标的抓捕物理仿真试验，需要构建较为准确完整的零重力环境，通常利用气浮式模拟器分别对服务飞行器以及自旋目标进行零重力模拟，抓捕过程通过服务飞行模拟器携带的操作装置对目标实施抓捕，抓捕过程完成后，通过特定的消旋机构实现目标角动量的消除。

目前对于空间目标的抓捕多局限于相对静止或缓慢运动的合作、半合作(有固定抓取位置或部分姿控功能仍正常)的目标，而对于空间具有较大自旋属性的非合作目标研究比较少，某些研究采用空间飞网或飞爪等机构对目标进行捕获，但均无法实现对目标的有效消旋以及多次重复抓捕目标的任务。上述方案在地面也无法进行真实的物理仿真试验，因此对于实际的工程应用意义不大；另外，对于服务飞行器或目标的地面物理仿真也大都不能实现完整自由度的零重力模拟，对于动力学过程的物理仿真不够准确，参考意义较小。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有空间目标的力学状态模拟存在无法实现对目标的有效消旋及多次重复抓捕目标的任务的问题，本发明提供一种针对空间自旋目标抓捕及消旋的地面物理仿真试验系统。

本发明的针对空间自旋目标抓捕及消旋的地面物理仿真试验系统，所述系统包括服务飞行器模拟装置、六自由度机械臂10、自旋跟踪手爪和六自由度目标模拟器；

服务飞行器模拟装置，用于模拟服务飞行器在平面内前后、左右以及偏航三个自由度的零重力状态，还用于消除在抓捕过程中产生的角动量；

六自由度机械臂10的一端与服务飞行器模拟装置底部连接，六自由度机械臂10的另一端与自旋跟踪手爪的顶端连接；六自由度机械臂10携带自旋跟踪手爪用于对自旋的空间目标的角速度及旋转轴进行跟踪及抓捕；

六自由度目标模拟器，用于模拟空间目标六自由度零重力下的自旋状态。

优选的是，所述六自由度目标模拟器包括目标模拟外壳13、气浮球轴承14、下气浮装置、起旋电机组件18、恒张力弹簧机构、下平面气足16和下气浮平台6；

目标模拟外壳13与气浮球轴承的转子固定连接，气浮球轴承的进气口与下气浮装置顶部的出气口连接，下气浮装置中设置有中空的孔，恒张力弹簧机构设置在所述孔中，恒张力弹簧机构一端连接气浮球轴承，恒张力弹簧机构的另一端连接下气浮装置底板的上表面，所述恒张力弹簧机构用于实现竖直方向上的零重力；

下平面气足16和起旋电机组件18同时设置在下气浮装置底板和下气浮平台6之间；

起旋电机组件18带动目标模拟外壳13、气浮球轴承14、下气浮装置恒张力弹簧机构和下平面气足16旋转；

下气浮装置通过下平面气足16向下气浮平台6通气。

优选的是，所述六自由度目标模拟器还包括起旋支撑摩擦盘17；

起旋支撑摩擦盘17设置在起旋电机组件18和下气浮平台6之间；

所述起旋电机组件18的电机壳体与下气浮装置底板固定连接，起旋电机组件18的电机输出轴与起旋支撑摩擦盘17的顶面连接，所述起旋支撑摩擦盘17通过起旋电机组件18的离合实现升降。

优选的是，所述服务飞行器模拟装置包括三自由度飞行模拟器1、上气浮装置和喷气装置2；

喷气装置2设置在三自由度飞行模拟器1的四周，上气浮装置设置在三自由度飞行模拟器1的底部；

三自由度飞行模拟器1控制喷气装置2的喷气方向，实现在平面内前后、左右以及偏航三个自由度的运动；上气浮装置为喷气装置2供气；

三自由度飞行模拟器1还用于控制喷气装置2的喷气方向，消除抓捕过程中产生的角动量；

三自由度飞行模拟器1还用于控制上气浮装置的底部产生气浮，使三自由度飞行模拟器1呈零重力状态。

优选的是，所述上气浮装置包括上平面气足3、上气浮平台4和上气瓶20，上平面气足3位于三自由度飞行模拟器1底板与上气浮平台4之间，上气瓶20设置在三自由度飞行模拟器1上，三自由度飞行模拟器1控制上气瓶通过上平面气足3对上气浮平台4通气，实现对三自由度飞行模拟器1的气浮。

优选的是，所述系统还包括支撑桁架5；

所述上气浮平台4固定支撑桁架5的顶部。

优选的是，所述上气浮装置还包括机械臂连接转接结构8，在上气浮平台4中开有通孔9，机械臂连接转接结构8通过该通孔9与三自由度飞行模拟器1底板连接。

上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。

本发明的有益效果在于，本发明提出星-臂-手爪联合抓捕及消旋的系统，给出了具体的地面物理仿真方案，并采用六自由度模拟器对目标进行地面零重力模拟，本发明的结构能够有效消旋，并实现了抓捕和消旋一体化，可多次重复抓捕目标。

附图说明

图1为本发明的原理结构示意图；

图2为图1中下气浮装置底板的仰视图；

图3为本发明具体实施方式中服务飞行器模拟装置的原理示意图。

图4为六自由度目标模拟器的原理示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述的一种针对空间自旋目标抓捕及消旋的地面物理仿真试验系统，其特征在于，所述系统包括服务飞行器模拟装置、六自由度机械臂10、自旋跟踪手爪和六自由度目标模拟器；

服务飞行器模拟装置，用于模拟服务飞行器在平面内前后、左右以及偏航三个自由度的零重力状态，还用于消除在抓捕过程中产生的角动量；

六自由度机械臂10的一端与服务飞行器模拟装置底部连接，六自由度机械臂10的另一端与自旋跟踪手爪的顶端连接；六自由度机械臂10携带自旋跟踪手爪用于对自旋的空间目标的角速度及旋转轴进行跟踪及抓捕；

六自由度目标模拟器，用于模拟空间目标六自由度零重力下的自旋状态。

本实施方式的服务飞行器模拟装置下部连接有六自由度机械臂以及自旋跟踪手爪实现目标自旋轴以及自旋角速度的精确跟踪，保证自旋目标抓捕过程相对冲击小，其中六自由度机械臂对空间目标自旋轴位置进行测量，获得空间目标的自旋轴的位置，自旋跟踪手爪测量空间目标的自旋角速度，保证抓捕过程中相对冲击降到最低，六自由度机械臂携带自旋跟踪手爪根据空间目标的自旋轴的位置和自旋角速度进行跟踪，完成跟踪后通过手爪对空间目标实施抓捕，之后利用自旋跟踪手爪的刹车机构11实现目标角动量逐步传递至顶部的服务飞行器模拟装置，服务飞行器模拟装置反向喷气可实现角动量的消除，最终达到消旋的目的；

本实施方式在地面重力环境下实现空间非合作自旋目标的抓捕及消旋系统物理仿真试验，实现空间自旋目标的抓捕在地面重力环境下的零重力模拟，较为准确地模拟抓捕及消旋过程中的动力学响应。

优选实施例中，所述六自由度目标模拟器包括目标模拟外壳13、气浮球轴承14、下气浮装置、起旋电机组件18、恒张力弹簧机构、下平面气足16和下气浮平台6；

目标模拟外壳13与气浮球轴承的转子固定连接，气浮球轴承的进气口与下气浮装置顶部的出气口连接，下气浮装置中设置有中空的孔，恒张力弹簧机构设置在所述孔中，恒张力弹簧机构一端连接气浮球轴承，恒张力弹簧机构的另一端连接下气浮装置底板的上表面，所述恒张力弹簧机构用于实现竖直方向上的零重力；

下平面气足16和起旋电机组件18同时设置在下气浮装置底板和下气浮平台6之间；

起旋电机组件18带动目标模拟外壳13、气浮球轴承14、下气浮装置恒张力弹簧机构和下平面气足16旋转；

下气浮装置通过下平面气足16向下气浮平台6通气。

本实施方式中还包括气浮平台支撑千斤顶7，气浮平台支撑千斤顶7设置在下气浮平台6的底部，用于支撑和调平；

本实施方式的非合作自旋目标采用六自由度目标模拟器实现零重力模拟，下气浮装置和气浮球轴承14实现目标在地面重力环境下除竖直方向自由度的5自由度模拟，再配合恒张力弹簧机构15实现目标竖直方向自由度的零重力，从而实现目标的全自由度零重力模拟，保证抓捕过程中的动力学响应更加真实，同时，可更换目标模拟外壳的形状尺寸，对不同类型的目标进行抓捕、消旋试验。

优选实施例中，本实施方式的六自由度目标模拟器还包括起旋支撑摩擦盘17；

起旋支撑摩擦盘17设置在起旋电机组件18和下气浮平台6之间；

本实施方式的起旋电机组件18的电机壳体与下气浮装置底板固定连接，起旋电机组件18的电机输出轴与起旋支撑摩擦盘17的顶面连接，起旋支撑摩擦盘17通过起旋电机组件18的离合实现升降。

打开起旋电机组件18的离合，起旋支撑摩擦盘17降下来，与下气浮平台6压紧，此时因为起旋支撑摩擦盘17和下气浮平台6之间的摩擦力，电机输出轴、起旋支撑摩擦盘17和下气浮平台6之间静止，而电机壳体做相对旋转，进而带动目标模拟外壳13、气浮球轴承14、下气浮装置、恒张力弹簧机构和下平面气足16旋转；

起旋支撑摩擦盘17底面采用橡胶包裹，防止对下气浮平台6产生磕碰；

本实施方式的电机与下气浮装置和下气浮平台6连接方式减少了对下气浮平台6的硬接触，提高了安全性。

优选实施例中，所述服务飞行器模拟装置包括三自由度飞行模拟器1、上气浮装置和喷气装置2；

喷气装置2设置在三自由度飞行模拟器1的四周，上气浮装置设置在三自由度飞行模拟器1的底部；

三自由度飞行模拟器1控制喷气装置2的喷气方向，实现在平面内前后、左右以及偏航三个自由度的运动；上气浮装置为喷气装置2供气；

三自由度飞行模拟器1还用于控制喷气装置2的喷气方向，消除抓捕过程中产生的角动量；

三自由度飞行模拟器1还用于控制上气浮装置的底部产生气浮，使三自由度飞行模拟器1呈零重力状态。

优选实施例中，所述上气浮装置包括上平面气足3、上气浮平台4和上气瓶20，上平面气足3位于三自由度飞行模拟器1底板与上气浮平台4之间，上气瓶20设置在三自由度飞行模拟器1上，三自由度飞行模拟器1控制上气瓶20通过上平面气足3对上气浮平台4通气，实现对三自由度飞行模拟器1的气浮。

优选实施例中，所述系统还包括支撑桁架5；

所述上气浮平台4固定支撑桁架5的顶部。

优选实施例中，所述上气浮装置还包括机械臂连接转接结构8，在上气浮平台4中开有通孔9，机械臂连接转接结构8通过该通孔9与三自由度飞行模拟器1底板连接。

在试验过程中，可以根据试验需求，更换连接转接结构8的长度。

试验流程如下：

如图1所示的结构，控制下气浮装置的气瓶19对下平面气足16通气，下气浮装置和目标模拟外壳13、气浮球轴承14和恒张力弹簧机构15浮起，通过起旋电机组件18的离合控制起旋支撑摩擦盘17与下气浮平台6紧密接触，起旋电机组件18按照预设目标自旋角速度运转，达到转速后控制去下气浮装置向气浮球轴承14供气，使目标模拟外壳13与其他部件独立，之后控制平面气足16断气，起旋电机组件18停止运转，气浮球轴承14带动目标模拟外壳13按照起旋电机组件18提供的角速度继续自旋转动；

三自由度服务模拟器1控制上气瓶20对平面气足3供气，操作自旋跟踪手爪的自带测量系统对目标模拟外壳13的自旋轴和自旋角速度进行测量，六自由度机械臂10带动自旋跟踪手爪运动至目标模拟外壳13的自旋轴上方，自旋跟踪手爪的刹车机构11带动抓捕手爪12起旋至与目标模拟外壳13相同的自旋角速度，之后收拢抓捕手爪12，完成对自旋目标的跟踪及抓捕；自旋跟踪手爪控制刹车机构11脉冲式抱闸，将目标模拟外壳13的角动量通过六自由度机械臂10、机械臂连接转接8传递至顶部三自由度服务模拟器1；

三自由度服务模拟器1根据获得角动量控制喷气装置2反向喷气，对传递角动量实现消除，以此过程不断传递、不断消旋从而完成对目标模拟外壳13角动量的消旋；关闭两模拟器供气系统，试验结束。

本实施方式涉及地面环境下对空间自旋目标的抓捕系统实现零重力模拟，并较为真实地反映出抓捕过程的动力学响应。针对地面重力环境下模拟抓捕空间自旋目标自由度数量少、危险系数大以及动力学响应不准确的问题，采用三自由的服务飞行器模拟装置模拟服务飞行器；采用六自由度机械臂与服务飞行器模拟装置连接，六自由度机械臂的末端连接自旋跟踪手爪，实现目标自旋角速度的跟踪，六自由度机械臂携带末端手爪实现目标位置跟踪；采用六自由度模拟器模拟空间自旋目标，实现对空间目标抓捕过程中的精确动力学模拟。

针对在地面环境下对空间自旋目标的全自由度模拟难度大以及自旋状态模拟精度低的问题，采用平面气足、气浮球轴承以及恒张力弹簧机构实现目标的六自由度零重力模拟，采用伺服电机以及气浮通断顺序实现目标的自旋状态精确模拟；传统气浮或悬吊方式的目标模拟一般只能实现平面三自由度或不包括重力方向自由度的5自由度模拟，上述方法均不能完整反映抓捕过程中目标的动力学状态。针对自旋目标抓捕过程中目标与抓捕装置相对速度较大、冲击大且危险系数高的难题，采用机械臂与自旋跟踪手爪配合的方案实现目标位置以及自旋角速度跟踪，实现抓捕过程中手爪与自旋目标处于相对静止状态，降低抓捕过程的冲击力和危险性，抓捕完成后通过手爪自旋轴抱闸机构将目标及手爪角动量通过机械臂逐步传递至顶部三自由度服务飞行器模拟器，通过反向喷气实现角动量的消除。本发明在地面重力环境下较为真实地模拟了空间自旋目标的抓捕及逐步消旋过程，并可对目标自旋角速度进行精确控制，自旋跟踪手爪降低了抓捕过程中的冲击和危险性，具有动力学状态模拟精度高以及安全系数高等优点。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (6)

1.一种针对空间自旋目标抓捕及消旋的地面物理仿真试验系统，所述系统包括服务飞行器模拟装置、六自由度机械臂(10)、自旋跟踪手爪和六自由度目标模拟器；

服务飞行器模拟装置，用于模拟服务飞行器在平面内前后、左右以及偏航三个自由度的零重力状态，还用于消除在抓捕过程中产生的角动量；

六自由度机械臂(10)的一端与服务飞行器模拟装置底部连接，六自由度机械臂(10)的另一端与自旋跟踪手爪的顶端连接；六自由度机械臂(10)携带自旋跟踪手爪用于对自旋的空间目标的角速度及旋转轴进行跟踪及抓捕；

六自由度目标模拟器，用于模拟空间目标六自由度零重力下的自旋状态；

其特征在于，所述六自由度目标模拟器包括目标模拟外壳(13)、气浮球轴承(14)、下气浮装置、起旋电机组件(18)、恒张力弹簧机构、下平面气足(16)和下气浮平台(6)；

目标模拟外壳(13)与气浮球轴承的转子固定连接，气浮球轴承的进气口与下气浮装置顶部的出气口连接，下气浮装置中设置有中空的孔，恒张力弹簧机构设置在所述孔中，恒张力弹簧机构一端连接气浮球轴承，恒张力弹簧机构的另一端连接下气浮装置底板的上表面，所述恒张力弹簧机构用于实现竖直方向上的零重力；

下平面气足(16)和起旋电机组件(18)同时设置在下气浮装置底板和下气浮平台(6)之间；

起旋电机组件(18)带动目标模拟外壳(13)、气浮球轴承(14)、下气浮装置恒张力弹簧机构和下平面气足(16)旋转；

下气浮装置通过下平面气足(16)向下气浮平台(6)通气。

2.根据权利要求1所述的地面物理仿真试验系统，其特征在于，所述六自由度目标模拟器还包括起旋支撑摩擦盘(17)；

起旋支撑摩擦盘(17)设置在起旋电机组件(18)和下气浮平台(6)之间；

所述起旋电机组件(18)的电机壳体与下气浮装置底板固定连接，起旋电机组件(18)的电机输出轴与起旋支撑摩擦盘(17)的顶面连接，所述起旋支撑摩擦盘(17)通过起旋电机组件(18)的离合实现升降，以控起旋制支撑摩擦盘(17)与下气浮平台(6)之间的摩擦力。

3.根据权利要求1或2所述的地面物理仿真试验系统，其特征在于，所述服务飞行器模拟装置包括三自由度飞行模拟器(1)、上气浮装置和喷气装置(2)；

喷气装置(2)设置在三自由度飞行模拟器(1)的四周，上气浮装置设置在三自由度飞行模拟器(1)的底部；

三自由度飞行模拟器(1)控制喷气装置(2)的喷气方向，实现在平面内前后、左右以及偏航三个自由度的运动；上气浮装置为喷气装置(2)供气；

三自由度飞行模拟器(1)还用于控制喷气装置(2)的喷气方向，消除抓捕过程中产生的角动量；

三自由度飞行模拟器(1)还用于控制上气浮装置的底部产生气浮，使三自由度飞行模拟器(1)呈零重力状态。

4.根据权利要求3所述的地面物理仿真试验系统，其特征在于，所述上气浮装置包括上平面气足(3)、上气浮平台(4)和上气瓶，上平面气足(3)位于三自由度飞行模拟器(1)底板与上气浮平台(4)之间，上气瓶设置在三自由度飞行模拟器(1)上，三自由度飞行模拟器(1)控制上气瓶通过上平面气足(3)对上气浮平台(4)通气，实现对三自由度飞行模拟器(1)的气浮。

5.根据权利要求4所述的地面物理仿真试验系统，其特征在于，所述系统还包括支撑桁架(5)；

所述上气浮平台(4)固定支撑桁架(5)的顶部。

6.根据权利要求4所述的地面物理仿真试验系统，其特征在于，所述上气浮装置还包括机械臂连接转接结构(8)，在上气浮平台(4)中开有通孔(9)，机械臂连接转接结构(8)通过该通孔(9)与三自由度飞行模拟器(1)底板连接。

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