CN108639389A - 可重复实现锁紧/解锁的空间电磁对接机构及对接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种可重复实现锁紧/解锁的空间电磁对接机构及对接方法，对接机构包括：主动对接机构、被动对接机构，主动对接机构安装在目标航天器上，被动对接机构安装在追踪航天器上。在对接任务过程中，通电使两电磁铁相互吸引，在主动对接机构与被动对接机构对接完成后，电机带动从动齿轮结构旋转，进而通过锁紧机构将两者锁紧；分离任务时，首先通过电机反向带动从动齿轮结构，完成解锁，然后通电使两电磁铁相互排斥，完成分离。本发明利用电磁作用原理实现两航天器的对接，不仅可以避免推进剂的消耗和羽流污染，而且通过电磁力的连续性和可逆控制性，理论上可把冲击速度控制到零，实现两航天器间的无碰撞对接。

Description

可重复实现锁紧/解锁的空间电磁对接机构及对接方法

技术领域

本发明涉及航天技术领域，具体涉及一种可重复实现锁紧/解锁的空间电磁对接机构。

背景技术

随着人类对外层空间的不断探索、开发和利用，空间对接技术将在航天器补给、维修、维护、在轨组装等领域发挥关键作用，并已成为当前航天领域新的研究热点。采用基于反冲作用的推力器来控制航天器的位置和速度是目前对接技术的主流方法，并且此技术成熟、可靠，并在工程实际中得到广泛应用。然而，这种方式依然存在两个主要问题。一是对接过程的推进剂量直接影响航天器的工作寿命；二是为降低对接速度，必须采用反方向的推力对追踪航天器进行制动，这样不仅会导致羽流污染，也会引起目标航天器姿态和位置的扰动。采用电磁对接技术可以有效解决上述两大难题，是未来空间对接技术发展的重点。

目前电磁对接还处于研究阶段，关键在于电磁力的控制，以及电磁对接机构的可行性、可靠性等。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种可重复实现锁紧/解锁的空间电磁对接机构，其结构上具有体积小、质量轻、可靠性强且可多次重复使用等优点；利用电磁作用原理实现两航天器的对接，可以有效避免推进剂的消耗和羽流污染，理论上可把冲击速度控制到零，实现航天器间的无碰撞对接。

一种可重复实现锁紧/解锁的空间电磁对接机构，其特征在于，包括：主动对接机构，以及设有与所述主动对接机构相匹配的被动对接机构，所述被动对接机构安装在追踪航天器上，主动对接机构安装在目标航天器上：

主动对接机构，上端为喇叭形导向槽，下端内部为圆筒形，内部设有主动对接齿、锁紧/解锁机构、主动电磁铁、缓冲装置以及从动齿轮结构和驱动系统，所述驱动系统由主动齿轮和电机组成，驱动从动齿轮结构旋转；

被动对接机构，主体为圆柱形，内部设有被动电磁铁，外部设有被动对接齿，与所述主动对接机构的主动对接齿后端相匹配；所述被动对接机构上还设有锁紧槽，与所述主动对接机构的锁紧/解锁机构前端相匹配。

上述的一种可重复实现锁紧/解锁的空间电磁对接机构，其特征在于，所述主动对接机构具体包括：

导向槽，所述导向槽设置在一端，开口向外；

在所述导向槽另一端连接有主动对接筒，所述主动对接筒内部有一圈凸环，凸环上沿径向方向设有向外的第一凹槽；

所述主动对接齿设有若干个，均匀分布于主动对接机构内部，所述主动对接齿的齿部向外；

所述锁紧/解锁机构采用间隙配合均匀安装于主动对接机构内部，由锁紧销和锁紧压缩弹簧组成，锁紧销两端均为半圆球形，锁紧销在锁紧压缩弹簧和驱动系统的作用下沿径向滑动；

主动对接筒内部由上至下，同轴依次设有主动电磁铁、电磁铁安装件、缓冲装置、底板、轴承座和从动齿轮结构。

上述的一种可重复实现锁紧/解锁的空间电磁对接机构，其特征在于：

所述主动电磁铁底部中心设有螺纹孔；

所述电磁铁安装件内部中空，设有电磁铁安装孔和通线孔，外侧面设有凸台，与所述凸环上的第一凹槽相匹配，底端设有若干电磁圆柱台，与缓冲装置连接，电磁铁安装件在缓冲装置的作用下上下滑动；

所述缓冲装置包括若干缓冲压缩弹簧组成，上端与所述电磁铁安装件的圆柱台连接，下端与底板连接；

所述底板与主动对接筒采用螺栓固定连接，上端设有若干底板圆柱台，与所述电磁圆柱台对齐，与缓冲压缩弹簧相连，底端与轴承座连接；

所述轴承座与所述底板采用螺栓固定连接；

所述从动齿轮结构，前端为圆筒形，内部设有与锁紧/解锁机构相配合的第二凹槽，底端为从动齿轮，内部设有一圆轴，与轴承座采用过盈配合连接。

上述的一种可重复实现锁紧/解锁的空间电磁对接机构，其特征在于，所述的被动对接机构具体包括：

被动对接筒为圆柱形，内部中空，设有电磁铁安装孔和通线孔；

被动对接齿设有若干个，其与主动对接齿个数相匹配，均匀分布于被动对接机构前端外侧面上；

锁紧槽，凹槽形，共六个，均匀分布于被动对接机构前端；

被动电磁铁，圆柱形，底部中心设有螺纹孔；

被动对接机构固定底座，设置于被动对接机构底部，设有安装孔。

对于上述对接机构，本发明还提供一种空间电磁对接机构对接、锁紧/解锁和分离方法，其特征在于，包括以下部分：

1)通过控制主、被动电磁铁的电流方向和大小，引导追踪航天器上的被动对接机构和目标航天器上的主动对接机构实现精准对接；

2)电机驱动从动齿轮结构正转/反转，实现两对接机构的锁紧/解锁；

3)完成解锁后，控制两电磁铁电流方向，使两者产生排斥力，两航天器分离。

上述的一种空间电磁对接机构对接、锁紧/解锁和分离方法，其特征在于，对接方法包括以下步骤：

1.1)在导航和控制系统引导下，两航天器逐渐靠近，被动对接机构和主动对接机构实现初步对接；

1.2)当被动对接机构上的电磁铁与主动对接机构上的电磁铁距离小于设定值时，两电磁铁通电，使两者相互吸引；

1.3)对接过程中，若速度过大，通过控制两电磁铁电流方向，使两电磁铁相互排斥，当减缓至设定速度，再控制电流方向，使两者吸引，通过反复控制，使最终对接速度减小至安全碰撞速度；若仍出现对接速度过大，可通过缓冲装置缓和碰撞能量；

1.4)在导向槽和主动对接筒的引导下，主动对接齿和被动对接齿逐渐接近，直至啮合，通过锁紧/解锁机构完成锁紧后，两电磁铁断电，完成对接。

上述的一种空间对接机构对接、锁紧/解锁和分离方法，其特征在于，锁紧/解锁方法包括以下步骤：

2.1)电机驱动从动齿轮结构正转，使锁紧销后端不在第二凹槽内，从而使锁紧销向内移动，锁紧销前端卡在所述被动对接机构的锁紧槽内，完成锁紧；

2.2)电机驱动从动齿轮结构反转，使锁紧销后端在第二凹槽内，在锁紧压缩弹簧作用下，锁紧销向外移动，锁紧销前端移出所述被动对接机构的锁紧槽，完成解锁。

上述的一种空间电磁对接机构对接、锁紧/解锁和分离方法，其特征在于，分离方法包括以下步骤：

3.1)锁紧/解锁机构完成解锁；

3.2)给两电磁铁通电，使两者产生排斥力，两航天器逐渐分离。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1)在对接过程中，通过喇叭形的导向槽和对接齿，可在一定初始位置和姿态偏差下自主校正，实现精确对接；

2)利用电磁作用原理可以有效避免推进剂的消耗和羽流污染，并在理论上可实现航天器间的无碰撞对接；

3)当最终对接速度较大时，通过缓冲装置可以有效缓和碰撞能量，减少刚性碰撞带来的影响；

4)本发明具有功耗低、体积小、可靠性强且可多次重复使用等优点，符合目前航天器对接机构的要求。

附图说明

图1是被动对接机构和主动对接机构对接时的示意图；

图2是主动对接机构的轴测图；

图3是主动对接机构(不含驱动系统)的俯视图；

图4是主动对接机构(不含驱动系统)的剖视图；

图5是电磁铁安装件轴测图；

图6是从动齿轮结构的轴测图；

图7是被动对接机构的轴测图；

图8是被动对接机构的剖视图；

图9是被动对接机构(不含电磁铁)的俯视图；

图10是解锁状态下(不含驱动系统)的剖视图；

图11是锁紧状态下(不含驱动系统)的剖视图。

具体实施方法

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种可重复实现锁紧/解锁的空间电磁对接机构，安装在两航天器上，用于引导两航天器精准对接，主要包含主动对接机构2和被动对接机构1。主动对接机构2上端为喇叭形的导向槽3，下端为圆筒形的主动对接筒16，主动对接筒16内部设有主动对接齿5、锁紧/解锁机构8、主动电磁铁7和缓冲装置18，外部设有从动齿轮结构12和驱动系统，锁紧/解锁机构8依靠驱动系统实现锁紧/解锁，驱动系统由主动齿轮10和电机9组成，工作时电机9产生力矩，带动从动齿轮结构12旋转。被动对接机构1主体为圆柱形，内部装有被动电磁铁28，外部设有一圈被动对接齿31，与所述主动对接机构2的主动对接齿5后端相匹配，另外，还设有一圈锁紧槽29，与所述主动对接机构2的锁紧/解锁机构8前端相匹配。被动对接机构1和主动对接机构2成功对接后，主动对接齿5和被动对接齿32啮合，电机9开始工作，驱动从动齿轮结构12旋转，使锁紧销前端嵌入所述被动对接机构1的锁紧槽29内，从而达到锁紧目的。

如图2、3、6所示，主动对接机构包含主动对接筒16和驱动系统两大部分。主动对接筒沿开口内侧设有一圈主动对接齿5，外部两侧各设有四个安装螺纹孔14，下端侧面均匀设有四个螺母安装槽23，另设有电磁铁与外部控制器电性连接的通线孔13。主动对接筒16由上至下，同轴依次设有锁紧/解锁机构8、主动电磁铁7、电磁铁安装件6、缓冲装置18、轴承座20和从动齿轮结构12，从动齿轮结构12包括第二凹槽27、圆轴19和从动齿轮11，主动齿轮10与从动齿轮11啮合。

如图4、5所示，主动对接筒16内部的零部件连接关系为：锁紧/解锁机构8以间隙配合的方式安装在主动对接筒16内部的锁紧/解锁安装孔4内；主动电磁铁7，底面中心设有螺纹孔，安装于电磁铁安装件6内部；电磁铁安装件6以间隙配合的方式安装在主动对接筒16内，内部设有安装孔24、通线孔26，两侧面设有凸台25，与所述主动对接筒16内的第一凹槽15相匹配，底端与缓冲装置18连接；缓冲装置18，缓冲压缩弹簧上端与电磁铁安装件6连接，下端与底板22连接；底板22与主动对接筒16通过螺栓连接，上端与缓冲装置18连接；轴承座20通过螺栓连接安装在底板22上，从动齿轮结构12上的圆轴19以过盈配合的方式与轴承座20固定连接。

如图7、9所示，被动对接机构1包含被动对接筒33和固定支座31两大部分。被动对接筒33整体呈圆筒形，内部中空，装有被动电磁铁28，并设有安装孔34和通线孔35，其外形尺寸与所述主动对接筒16相匹配；固定支座31，设置于被动对接筒33底部，并设有四个安装孔30。

如图8所示，被动对接筒33内部的零件连接关系为：被动电磁铁28，底面中心设有螺纹孔，安装于被动对接筒33内部。

一种空间电磁对接机构的对接、锁紧/解锁和分离方法，包括以下部分：

1)通过控制主、被动电磁铁的电流方向和大小，引导追踪航天器上的被动对接机构1和目标航天器上的主动对接机构2实现精准对接；

2)电机9驱动从动齿轮结构12正转/反转，实现两对接机构的锁紧/解锁；

3)完成解锁后，控制两电磁铁电流方向，使两者产生排斥力，两航天器分离。

对接方法包括以下步骤：

1.1)在导航和控制系统引导下，两航天器逐渐靠近，被动对接机构1和主动对接机构2实现初步对接；

1.2)当被动对接机构1上的电磁铁28与主动对接机构上的电磁铁7距离小于设定值时，两电磁铁通电，使两者相互吸引；

1.3)对接过程中，若速度过大，通过控制电磁铁电流方向，使两电磁铁相互排斥，当减缓至设定速度，再控制电流方向，使两者吸引，通过反复控制，使最终对接速度减小至安全碰撞速度；若仍出现对接速度过大，可通过缓冲装置18缓和碰撞能量；

1.4)在导向槽3和主动对接筒16的引导下，主动对接齿5和被动对接齿32逐渐接近，直至啮合，通过锁紧/解锁机构8完成锁紧后，两电磁铁断电，完成对接。

锁紧/解锁方法包括以下步骤：

2.1)电机9驱动从动齿轮结构12正转，使锁紧销后端不在第二凹槽27内，从而使锁紧销向内移动，锁紧销前端卡在所述被动对接机构的锁紧槽29内，完成锁紧，如图11所示；

2.2)电机9驱动从动齿轮结构12反转，使锁紧销后端在第二凹槽27内，在锁紧压缩弹簧作用下，锁紧销向外移动，锁紧销前端移出所述被动对接机构的锁紧槽29，完成解锁，如图10所示。

分离方法包括以下步骤：

3.1)锁紧/解锁机构完成解锁；

3.2)给两电磁铁通电，使两者产生排斥力，两航天器逐渐分离。

此处公开的仅为本发明的优选实施例，本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，并不是对发明的限定。任何本领域技术人员在说明书范围内所做的修改和变化，均应落在本发明所保护的范围内。

Claims (8)

1.一种可重复实现锁紧/解锁的空间电磁对接机构，其特征在于，包括：主动对接机构，以及设有与所述主动对接机构相匹配的被动对接机构，所述被动对接机构安装在追踪航天器上，主动对接机构安装在目标航天器上：

主动对接机构，上端为喇叭形导向槽，下端内部为圆筒形，内部设有主动对接齿、锁紧/解锁机构、主动电磁铁、缓冲装置以及从动齿轮结构和驱动系统，所述驱动系统由主动齿轮和电机组成，驱动从动齿轮结构旋转；

被动对接机构，主体为圆柱形，内部设有被动电磁铁，外部设有被动对接齿，与所述主动对接机构的主动对接齿后端相匹配；所述被动对接机构上还设有锁紧槽，与所述主动对接机构的锁紧/解锁机构前端相匹配。

2.根据权利要求1所述的一种可重复实现锁紧/解锁的空间电磁对接机构，其特征在于，所述主动对接机构具体包括：

导向槽，所述导向槽设置在一端，开口向外；

在所述导向槽另一端连接有主动对接筒，所述主动对接筒内部有一圈凸环，凸环上沿径向方向设有向外的第一凹槽；

所述主动对接齿设有若干个，均匀分布于主动对接机构内部，所述主动对接齿的齿部向外；

所述锁紧/解锁机构采用间隙配合，其均匀安装于主动对接机构内部，由锁紧销和锁紧压缩弹簧组成，锁紧销两端均为半圆球形，锁紧销在锁紧压缩弹簧和驱动系统的作用下沿径向滑动；

主动对接筒内部由上至下，同轴依次设有主动电磁铁、电磁铁安装件、缓冲装置、底板、轴承座和从动齿轮结构。

3.根据权利要求2所述的一种可重复实现锁紧/解锁的空间电磁对接机构，其特征在于：

所述主动电磁铁底部中心设有螺纹孔；

所述电磁铁安装件内部中空，设有电磁铁安装孔和通线孔，外侧面设有凸台，与所述凸环上的第一凹槽相匹配，底端设有若干电磁圆柱台，与缓冲装置连接，电磁铁安装件在缓冲装置的作用下上下滑动；

所述缓冲装置包括若干缓冲压缩弹簧，上端与所述电磁铁安装件的圆柱台连接，下端与底板连接；

所述底板与主动对接筒采用螺栓固定连接，上端设有若干底板圆柱台，与所述电磁圆柱台对齐，与缓冲压缩弹簧相连，底端与轴承座连接；

所述轴承座与所述底板采用螺栓固定连接；

所述从动齿轮结构，前端为圆筒形，内部设有与锁紧/解锁机构相配合的第二凹槽，底端为从动齿轮，内部设有一圆轴，与轴承座采用过盈配合连接。

4.根据权利要求1所述的一种可重复实现锁紧/解锁的空间电磁对接机构，其特征在于，所述的被动对接机构具体包括：

被动对接筒，所述被动对接筒为圆柱形，内部中空，设有电磁铁安装孔和通线孔；

若干个被动对接齿，其与主动对接齿个数相匹配，均匀分布于被动对接机构前端外侧面上；

锁紧槽，凹槽形，共六个，均匀分布于被动对接机构前端；

被动电磁铁，圆柱形，底部中心设有螺纹孔；

被动对接机构固定底座，设置于被动对接机构底部，设有安装孔。

5.一种空间电磁对接机构对接、锁紧/解锁和分离方法，其特征在于，包括以下部分：

1)通过控制主、被动电磁铁的电流方向和大小，引导追踪航天器上的被动对接机构和目标航天器上的主动对接机构实现精准对接；

2)电机驱动从动齿轮结构正转/反转，实现两对接机构的锁紧/解锁；

3)完成解锁后，控制两电磁铁电流方向，使两者产生排斥力，两航天器分离。

6.根据权利要求5所述的一种空间电磁对接机构对接、锁紧/解锁和分离方法，其特征在于，对接方法包括以下步骤：

1.1)在航天器的导航和控制系统引导下，两航天器逐渐靠近，主动对接机构和被动对接机构实现初步对接；

1.2)当被动对接机构上的电磁铁与主动对接机构上的电磁铁距离小于设定值时，两电磁铁通电，使两者相互吸引；

1.3)对接过程中，若速度过大，通过控制两电磁铁电流方向，使两电磁铁相互排斥，当减缓至设定速度，再控制电流方向，使两者吸引，通过反复控制，使最终对接速度减小至安全碰撞速度；若出现对接速度过大，可通过缓冲装置缓和碰撞能量；

1.4)在导向槽和主动对接筒的引导下，主动对接齿和被动对接齿逐渐接近，直至啮合，通过锁紧/解锁机构完成锁紧后，两电磁铁断电，完成对接。

7.根据权利要求5所述的一种空间电磁对接机构对接、锁紧/解锁和分离方法，其特征在于，锁紧/解锁方法包括以下步骤：

2.1)电机驱动从动齿轮结构正转，使锁紧销后端离开第二凹槽，从而使锁紧销向内移动，锁紧销前端卡在所述被动对接机构的锁紧槽内，完成锁紧；

2.2)电机驱动从动齿轮结构反转，使锁紧销后端在第二凹槽内，在锁紧压缩弹簧作用下，锁紧销向外移动，锁紧销前端移出所述被动对接机构的锁紧槽，完成解锁。

8.根据权利要求5所述的一种空间电磁对接机构对接、锁紧/解锁和分离方法，其特征在于，分离方法包括以下步骤：

3.1)锁紧/解锁机构完成解锁；

3.2)给两电磁铁通电，使两者产生排斥力，两航天器逐渐分离。