CN109050991A - 空间飞行器用径向卡锁式捕获锁及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种空间飞行器用径向卡锁式捕获锁及其工作方法，捕获锁包括安装在主动飞行器上的主动端和安装在被动飞行器上的被动端，所述的被动端为锥形结构，所述的主动端包括外壳组件、驱动组件、传动组件和卡锁组件，所述的外壳组件用以支撑、连接所述驱动组件、传动组件和卡锁组件，所述的驱动组件驱动传动组件使传动组件将回转运动转换成直线运动，所述的传动组件控制所述卡锁组件的径向往复移动，所述的卡锁组件径向伸出外壳组件时卡紧所述被动端，所述卡锁组件径向收回外壳组件时释放所述被动端。本发明解决现有对接机构技术的系统复杂、质量大、通用性差等问题，在飞行器对接过程中实现低扰动的捕获、锁紧和释放。
Description
技术领域
本发明属于空间飞行器在轨对接技术领域，尤其是涉及一种空间飞行器用径向卡锁式捕获锁及其工作方法。
背景技术
空间飞行器在轨对接中过程包括初始捕获建立初步对接、飞行器对接面共轴调姿、电信接口联通、刚性共体飞行及解锁分离五个阶段。在捕获阶段通常采用捕获锁完成两飞行器在初始接触、锁紧以建立初步的连接。目前，不仅是飞行器在轨对接领域，在我国空间站建设、飞行器的在轨服务、未来的空间站物资储运、空间机械臂物资转移等航天任务中均需要合作目标的对接环节，捕获锁紧作为对接过程中的重要环节，应用场景也越发广泛。但是，目前传统的捕获锁存在系统复杂、质量大、通用性差等问题。因此，为克服以上问题，本发明提出了一种轻小型、目标适应性强的一种空间飞行器用径向卡锁式捕获锁。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种空间飞行器用径向卡锁式捕获锁及其工作方法，解决解决现有对接机构技术的系统复杂、质量大、通用性差等问题，在飞行器对接过程中实现低扰动的捕获、锁紧和释放。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种空间飞行器用径向卡锁式捕获锁，包括安装在主动飞行器上的主动端和安装在被动飞行器上的被动端，所述的被动端为锥形结构，所述的主动端包括外壳组件、驱动组件、传动组件和卡锁组件，所述的外壳组件用以支撑、连接所述驱动组件、传动组件和卡锁组件，所述的驱动组件驱动传动组件使传动组件将回转运动转换成直线运动，所述的传动组件控制所述卡锁组件的径向往复移动，所述的卡锁组件径向伸出外壳组件时卡紧所述被动端，所述卡锁组件径向收回外壳组件时释放所述被动端。
进一步的，所述被动端包括扩口对接锥、空心圆柱体和窄口引导锥，所述扩口对接锥的两端均为开口端，且一端为窄端，一端为宽端，所述的窄口引导锥的内腔一端为盲端，一端为开口端，扩口对接锥的宽端为自由端，扩口对接锥的窄端与空心圆柱体的一端固定连接，空心圆柱体的另一端与窄口引导锥的开口端连接，在所述的空心圆柱体的内壁沿圆周方向上开设有卡锁组件配合用的楔形槽。
进一步的，所述外壳组件包括导引头、限位壳体和位置检测用行程开关，所述的导引头与限位壳体的一端螺纹连接，所述的限位壳体的另一端周向均布多个位置检测用行程开关，在所述限位壳体的周向开设有用于卡锁组件伸出和收回动作的开口。
进一步的，所述驱动组件包括驱动电机，所述传动组件包括设置在限位壳体内的丝杠和传动螺母，所述的丝杠的一端通过第一轴承与限位壳体连接导引头的一端连接，所述的丝杠的另一端与所述驱动电机的输出轴连接，所述的驱动电机的输出轴驱动丝杠转动，所述的丝杠驱动所述传动螺母直线运动；
所述传动螺母包括一体设置的柱体和三个截面渐变型导向瓣，三个所述截面渐变型导向瓣在柱体外表面按圆周阵列方式均布排列，每个截面渐变型导向瓣上均设有一个T型槽，所述的截面渐变型导向瓣的纵截面尺寸从柱体的靠近导引头的一端至柱体的远离导引头的一端逐渐减小，所述的柱体通过内部螺纹孔与丝杠连接。
进一步的，所述卡锁组件包括三个异形卡锁，所述的异形卡锁与T型槽一一配合设置，所述卡锁组件包括异形卡锁，所述的异形卡锁包括由竖直立面、第一竖直侧面、弧面和第二竖直侧面围成的限位凸台和倾斜设置的T型凸起，所述的T型凸起设置在限位凸台的底部，所述的T型凸起与T型槽配合设置，自竖直立面顶部向弧面的最大凸出处方向切割限位凸台形成一倾斜的弧形导向面和一配合面，所述的配合面与倾斜的弧形导向面的下端连接。
进一步的，所述驱动电机安装在电机安装套筒内，所述的电机安装套筒一端与限位壳体连接，另一端和与主动端捕获锁机架固接的第一安装座连接，所述的主动端捕获锁机架设置在主动飞行器上。
进一步的，所述窄口引导锥的形状与所述导引头的形状相适应，所述窄口引导锥的内腔的盲端为半球状，所述导引头的头部为半球面锥形结构。
进一步的，所述被动端的窄口引导锥的盲端和与被动端捕获锁机架固接的第二安装座连接，所述的被动端捕获锁机架设置在被动飞行器上。
进一步的，所述被动端的扩口对接锥的扩口角度为60°-120°，所述弧形导向面的倾斜角度为与竖直立面呈15°-45°，所述T型凸起与水平面呈20°-40°设置。
空间飞行器用径向卡锁式捕获锁的工作方法，包括以下步骤：
主动飞行器对被动飞行器的拉紧锁合步骤；
主动飞行器对被动飞行器的分离释放步骤；
主动飞行器对被动飞行器的拉紧锁合步骤具体为：在对接过程中，因飞行器交会位姿误差，主动端的导引头沿着被动端的扩口对接锥的扩口型面导向进入到扩口对接锥内部，至安装于限位壳体上的行程开关与扩口对接锥内表面接触后，行程开关触发，使驱动电机发生运转，驱动电机驱动丝杠回转，传动螺母发生轴向位移，从而带动三个异形卡锁通过限位壳体上的开口径向同步伸出，异形卡锁通过由竖直立面、第一竖直侧面、弧面与第二竖直侧面围成的限位凸台与限位壳体上的开口相配合实现限位导向，在异形卡锁伸出过程中，在弧形导向面的作用下，异形卡锁逐渐进入到被动端的楔形槽中，直至异形卡锁完全伸出，完全进入到楔形槽中，此时，导引头与被动端的窄口引导锥的内腔面完全配合，驱动电机停止驱动，主动端和被动端完成锁紧工作，并利用丝杠与传动螺母的传动自锁性防止反向传动，二者锁紧后共体飞行，至此两个星体完成捕获对接；
主动飞行器对被动飞行器的分离释放步骤具体为：待两个飞行器完成对接任务后需要释放时，驱动电机反向旋转，驱动丝杠反向旋转，从而使得丝杠上的传动螺母反向移动复位，传动螺母反向移动过程中，通过其上的截面渐变型导向瓣上的T型槽拉动带有T型凸起的异形卡锁收回复位到限位壳体中，驱动电机停止驱动，主动端和被动端轴向无限位，主动端和被动端分离。
相对于现有技术，本发明所述的空间飞行器用径向卡锁式捕获锁具有以下优势：
本发明所述的空间飞行器用径向卡锁式捕获锁，
异形卡锁和楔形槽配合锁紧，轴向承载力大；丝杠螺母自锁可靠，两个飞行器共体飞行安全性高；结构简单，体积小，捕获扰动低，工况适应性强，尤其在空间机械臂承载能力小、机构安装体积有限的工况；本发明通过锥形扩口增大捕获容差，适应对接初始位姿能力强；可用于周边式布置，也可用于中心式布局的对接工况；不仅在捕获阶段，在飞行器的刚性锁紧阶段也可以采用此结构。
附图说明
构成本发明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为本发明实施例所述的空间飞行器用径向卡锁式捕获锁的锁紧状态的结构示意图；
图2为空间飞行器用径向卡锁式捕获锁的对接过程的结构示意图；
图3为主动端原始状态的结构示意图；
图4为主动端锁紧状态的结构示意图；
图5为被动端的结构示意图；
图6为传动螺母的结构示意图；
图7为异形卡锁的结构示意图；
图8为传动螺母和异形卡锁的装配结构示意图。
附图标记说明：
1-主动端，1-1-导引头，1-2-限位壳体，
1-3-异形卡锁，1-3-1-竖直立面，1-3-2-弧形导向面，1-3-3-T型凸起，1-3-4-第一竖直侧面，1-3-5-弧面，1-3-6-配合面，
1-4-行程开关，1-5-电机安装套筒，1-6-丝杠，
1-7-传动螺母，1-7-1-柱体，1-7-2-截面渐变型导向瓣，1-7-3-T型槽，1-7-4-螺纹孔，
1-8-第一轴承，1-9-第二轴承，1-10-驱动电机，1-11-第一安装座，1-12-开口，
2-被动端，2-1-扩口对接锥,2-2-楔形槽,2-3-空心圆柱体，2-4-窄口引导锥，2-5-第二安装座，
3-主动端捕获锁机架，4-被动端捕获锁机架。
具体实施方式
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。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1-图8所示，空间飞行器用径向卡锁式捕获锁，包括安装在主动飞行器上的主动端1和安装在被动飞行器上的被动端2，所述的被动端2为锥形结构，所述的主动端1包括外壳组件、驱动组件、传动组件和卡锁组件，所述的外壳组件用以支撑、连接所述驱动组件、传动组件和卡锁组件，所述的驱动组件驱动传动组件使传动组件将回转运动转换成直线运动，所述的传动组件控制所述卡锁组件的径向往复移动，所述的卡锁组件径向伸出外壳组件时卡紧所述被动端，所述卡锁组件径向收回外壳组件时释放所述被动端。
被动端2包括扩口对接锥2-1、空心圆柱体2-3和窄口引导锥2-4，所述扩口对接锥2-1的两端均为开口端，且一端为窄端，一端为宽端，所述的窄口引导锥2-4的内腔一端为盲端，一端为开口端，扩口对接锥2-1的宽端为自由端，扩口对接锥2-1的窄端与空心圆柱体2-3的一端固定连接，空心圆柱体2-3的另一端与窄口引导锥2-4的开口端连接，在所述的空心圆柱体2-3的内壁沿圆周方向上开设有与卡锁组件配合用的楔形槽2-4。
外壳组件包括导引头1-1、限位壳体1-2和位置检测用的行程开关1-4，所述的导引头1-1与限位壳体1-2的一端螺纹连接，所述的限位壳体1-2的另一端周向均布多个位置检测用的行程开关1-4，在所述限位壳体1-2的周向开设有用于卡锁组件伸出和收回动作的开口1-12。
驱动组件包括驱动电机1-10，所述传动组件包括设置在限位壳体1-2内的丝杠1-6和传动螺母1-7，所述的丝杠1-6的一端通过第一轴承1-8与限位壳体1-2连接导引头1-1的一端连接，所述的丝杠1-6的另一端与所述驱动电机1-10的输出轴连接，所述的驱动电机1-10的输出轴驱动丝杠1-6转动，所述的丝杠1-6驱动所述传动螺母1-7直线运动；
所述传动螺母1-7包括一体设置的柱体1-7-1和三个截面渐变型导向瓣1-7-2，三个所述截面渐变型导向瓣1-7-2在柱体1-7-1外表面按圆周阵列方式均布排列，每个截面渐变型导向瓣1-7-2上均设有一个T型槽1-7-3，所述的截面渐变型导向瓣1-7-2的纵截面尺寸从柱体1-7-1的靠近导引头1-1的一端至柱体1-7-1的远离导引头1-1的一端逐渐减小，所述的柱体1-7-1通过螺纹孔1-7-4与丝杠1-6连接。
所述卡锁组件包括三个异形卡锁1-3，所述的异形卡锁1-3与T型槽1-7-3一一配合设置，所述卡锁组件包括异形卡锁1-3，所述的异形卡锁1-3包括由竖直立面1-3-1、第一竖直侧面1-3-4、弧面1-3-5与第二竖直侧面(未示出)围成的限位凸台和倾斜设置的T型凸起1-3-3，所述的T型凸起1-3-3设置在限位凸台的底部，所述的T型凸起1-3-3与T型槽1-7-3配合设置，自竖直立面1-3-1顶部向弧面1-3-5的最大凸出处方向切割限位凸台形成一倾斜的弧形导向面1-3-2和一配合面1-3-6，所述的配合面1-3-6与倾斜的弧形导向面1-3-2的下端连接。卡锁组件可以包括多个异形卡锁1-3，可以是三个、四个、五个等，但异形卡锁1-3的数目与传动螺母1-7上的截面渐变型导向瓣1-7-2的数目相同，也就是异形卡锁1-3的数目与T型槽1-7-3的数目相同。
所述驱动电机1-10安装在电机安装套筒1-5内，所述的电机安装套筒1-5一端与限位壳体1-2连接，另一端和与主动端捕获锁机架4固接的第一安装座1-11连接，所述的主动端捕获锁机架4设置在主动飞行器上。
所述窄口引导锥2-4的形状与所述导引头1-1的形状相适应，所述窄口引导锥2-4的内腔的盲端为半球状，所述导引头1-1的头部为半球面锥形结构。
所述驱动电机1-10的输出轴通过两个第二轴承1-9支撑。
所述被动端2的窄口引导锥2-4的盲端和与被动端捕获锁机架3固接的第二安装座2-5连接，所述的被动端捕获锁机架3设置在被动飞行器上。
所述被动端2的扩口对接锥2-1的扩口角度为60°-120°，所述弧形导向面1-3-2的倾斜角度为与竖直立面1-3-1呈15°-45°，所述T型凸起1-3-3与水平面呈20°-40°设置。
空间飞行器用径向卡锁式捕获锁的工作方法，包括以下步骤：
主动飞行器对被动飞行器的拉紧锁合步骤；
主动飞行器对被动飞行器的分离释放步骤；
主动飞行器对被动飞行器的拉紧锁合步骤具体为：在对接过程中，因飞行器交会位姿误差，主动端1的导引头1-1沿着被动端2的扩口对接锥2-1的扩口型面导向进入到扩口对接锥2-1内部，至安装于限位壳体1-2上的行程开关1-4与扩口对接锥2-1内表面接触后，行程开关1-4触发，使驱动电机1-10发生运转，驱动电机1-10驱动丝杠1-6回转，传动螺母1-7发生轴向位移，从而带动三个异形卡锁1-3通过限位壳体1-2上的开口1-12径向同步伸出，异形卡锁1-3通过由竖直立面1-3-1、第一竖直侧面1-3-4、弧面1-3-5与第二竖直侧面围成的限位凸台与限位壳体1-2上的开口1-12相配合实现限位导向，在异形卡锁1-3伸出过程中，在弧形导向面1-3-2的作用下，异形卡锁1-3逐渐进入到被动端2的楔形槽2-2中，直至异形卡锁1-3完全伸出，完全进入到楔形槽2-2中，此时，导引头1-1与被动端2的窄口引导锥2-4的内腔面完全配合，驱动电机1-10停止驱动，主动端1和被动端2完成锁紧工作，并利用丝杠1-6与传动螺母1-7的传动自锁性防止反向传动，二者锁紧后共体飞行，至此两个星体完成捕获对接。
主动飞行器对被动飞行器的分离释放步骤具体为：待两个飞行器完成对接任务后需要释放时，驱动电机1-10反向旋转，驱动丝杠1-6反向旋转，从而使得丝杠1-6上的传动螺母1-7反向移动复位，传动螺母1-7反向移动过程中，通过其上的截面渐变型导向瓣1-7-2的T型槽1-7-3拉动带有T型凸起1-3-3的异形卡销收回复位到限位壳体1-2中，驱动电机1-10停止驱动，主动端1和被动端2轴向无限位，主动端1和被动端2分离。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (10)
1.一种空间飞行器用径向卡锁式捕获锁，其特征在于：包括安装在主动飞行器上的主动端(1)和安装在被动飞行器上的被动端(2)，所述的被动端(2)为锥形结构，所述的主动端(1)包括外壳组件、驱动组件、传动组件和卡锁组件，所述的外壳组件用以支撑、连接所述驱动组件、传动组件和卡锁组件，所述的驱动组件驱动传动组件使传动组件将回转运动转换成直线运动，所述的传动组件控制所述卡锁组件的径向往复移动，所述的卡锁组件径向伸出外壳组件时卡紧所述被动端，所述卡锁组件径向收回外壳组件时释放所述被动端。
2.根据权利要求1所述的空间飞行器用径向卡锁式捕获锁，其特征在于：所述被动端(2)包括扩口对接锥(2-1)、空心圆柱体(2-3)和窄口引导锥(2-4)，所述扩口对接锥(2-1)的两端均为开口端，且一端为窄端，一端为宽端，所述的窄口引导锥(2-4)的内腔一端为盲端，一端为开口端，扩口对接锥(2-1)的宽端为自由端，扩口对接锥(2-1)的窄端与空心圆柱体(2-3)的一端固定连接，空心圆柱体(2-3)的另一端与窄口引导锥(2-4)的开口端连接，在所述的空心圆柱体(2-3)的内壁沿圆周方向上开设有与卡锁组件配合用的楔形槽(2-4)。
3.根据权利要求2所述的空间飞行器用径向卡锁式捕获锁，其特征在于：所述外壳组件包括导引头(1-1)、限位壳体(1-2)和位置检测用的行程开关(1-4)，所述的导引头(1-1)与限位壳体(1-2)的一端螺纹连接，所述的限位壳体(1-2)的另一端周向均布多个位置检测用的行程开关(1-4)，在所述限位壳体(1-2)的周向开设有用于卡锁组件伸出和收回动作的开口(1-12)。
4.根据权利要求3所述的空间飞行器用径向卡锁式捕获锁，其特征在于：所述驱动组件包括驱动电机(1-10)，所述传动组件包括设置在限位壳体(1-2)内的丝杠(1-6)和传动螺母(1-7)，所述的丝杠(1-6)的一端通过第一轴承(1-8)与限位壳体(1-2)连接导引头(1-1)的一端连接，所述的丝杠(1-6)的另一端与所述驱动电机(1-10)的输出轴连接，所述的驱动电机(1-10)的输出轴驱动丝杠(1-6)转动，所述的丝杠(1-6)驱动所述传动螺母(1-7)直线运动；
所述传动螺母(1-7)包括一体设置的柱体(1-7-1)和三个截面渐变型导向瓣(1-7-2)，三个所述截面渐变型导向瓣(1-7-2)在柱体(1-7-1)外表面按圆周阵列方式均布排列，每个截面渐变型导向瓣(1-7-2)上均设有一个T型槽(1-7-3)，所述的截面渐变型导向瓣(1-7-2)的纵截面尺寸从柱体(1-7-1)的靠近导引头(1-1)的一端至柱体(1-7-1)的远离导引头(1-1)的一端逐渐减小，所述的柱体(1-7-1)通过螺纹孔(1-7-4)与丝杠(1-6)连接。
5.根据权利要求4所述的空间飞行器用径向卡锁式捕获锁，其特征在于：所述卡锁组件包括三个异形卡锁(1-3)，所述的异形卡锁(1-3)与T型槽(1-7-3)一一配合设置，所述的异形卡锁(1-3)包括由竖直立面(1-3-1)、第一竖直侧面(1-3-4)、弧面(1-3-5)与第二竖直侧面围成的限位凸台和倾斜设置的T型凸起(1-3-3)，所述的T型凸起(1-3-3)设置在限位凸台的底部，所述的T型凸起(1-3-3)与T型槽(1-7-3)配合设置，自竖直立面(1-3-1)顶部向弧面(1-3-5)的最大凸出处方向切割限位凸台形成一倾斜的弧形导向面(1-3-2)和一配合面(1-3-6)，所述的配合面(1-3-6)与倾斜的弧形导向面(1-3-2)的下端连接。
6.根据权利要求5所述的空间飞行器用径向卡锁式捕获锁，其特征在于：所述驱动电机(1-10)安装在电机安装套筒(1-5)内，所述的电机安装套筒(1-5)一端与限位壳体(1-2)连接，另一端和与主动端捕获锁机架(4)固接的第一安装座(1-11)连接，所述的主动端捕获锁机架(4)设置在主动飞行器上。
7.根据权利要求6所述的空间飞行器用径向卡锁式捕获锁，其特征在于：所述窄口引导锥(2-4)的形状与所述导引头(1-1)的形状相适应，所述窄口引导锥(2-4)的内腔的盲端为半球状，所述导引头(1-1)的头部为半球面锥形结构。
8.根据权利要求2-7中任一项所述的空间飞行器用径向卡锁式捕获锁，其特征在于：所述被动端(2)的窄口引导锥(2-4)的盲端和与被动端捕获锁机架(3)固接的第二安装座(2-5)连接，所述的被动端捕获锁机架(3)设置在被动飞行器上。
9.根据权利要求5-7中任一项所述的空间飞行器用径向卡锁式捕获锁，其特征在于：所述被动端(2)的扩口对接锥(2-1)的扩口角度为60°-120°，所述弧形导向面(1-3-2)的倾斜角度为与竖直立面(1-3-1)呈15°-45°，所述T型凸起(1-3-3)与水平面呈20°-40°设置。
10.根据权利要求7所述的空间飞行器用径向卡锁式捕获锁的工作方法，其特征在于：包括以下步骤：
主动飞行器对被动飞行器的拉紧锁合步骤；
主动飞行器对被动飞行器的分离释放步骤；
主动飞行器对被动飞行器的拉紧锁合步骤具体为：在对接过程中，因飞行器交会位姿误差，主动端(1)的导引头(1-1)沿着被动端(2)的扩口对接锥(2-1)的扩口型面导向进入到扩口对接锥(2-1)内部，至安装于限位壳体(1-2)上的行程开关(1-4)与扩口对接锥(2-1)内表面接触后，行程开关(1-4)触发，使驱动电机(1-10)发生运转，驱动电机(1-10)驱动丝杠(1-6)回转，传动螺母(1-7)发生轴向位移，从而带动三个异形卡锁(1-3)通过限位壳体(1-2)上的开口(1-12)径向同步伸出，异形卡锁(1-3)通过由竖直立面(1-3-1)、第一竖直侧面(1-3-4)、弧面(1-3-5)与第二竖直侧面围成的限位凸台与限位壳体(1-2)上的开口(1-12)相配合实现限位导向，在异形卡锁(1-3)伸出过程中，在弧形导向面(1-3-2)的作用下，异形卡锁(1-3)逐渐进入到被动端(2)的楔形槽(2-2)中，直至异形卡锁(1-3)完全伸出，完全进入到楔形槽(2-2)中，此时，导引头(1-1)与被动端(2)的窄口引导锥(2-4)的内腔面完全配合，驱动电机(1-10)停止驱动，主动端(1)和被动端(2)完成锁紧工作，并利用丝杠(1-6)与传动螺母(1-7)的传动自锁性防止反向传动，二者锁紧后共体飞行，至此两个星体完成捕获对接；
主动飞行器对被动飞行器的分离释放步骤具体为：待两个飞行器完成对接任务后需要释放时，驱动电机(1-10)反向旋转，驱动丝杠(1-6)反向旋转，从而使得丝杠(1-6)上的传动螺母(1-7)反向移动复位，传动螺母(1-7)反向移动过程中，通过其上的截面渐变型导向瓣(1-7-2)上的T型槽(1-7-3)拉动带有T型凸起(1-3-3)的异形卡锁(1-3)收回复位到限位壳体(1-2)中，驱动电机(1-10)停止驱动，主动端(1)和被动端(2)轴向无限位，主动端(1)和被动端(2)分离。
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