CN109502057B - 一种空间系绳释放展开装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种空间系绳释放展开系统，三种释放展开模式主要利用活齿传动ORT减速器实现对释放展开到一定绳长时，切换到不同的机械装置上来实现三种模式转换；恒速控制装置主要永磁体涡流缓速基本原理，通过调整固定的磁力片和转动线杯之间的气隙实现系绳的恒速输出；减速制动利用盘式摩擦制动方式实现。与现有技术相比，由于采用ORT减速器方式进行模式转换，避免了模式转换造成系绳释放展开过程冲击影响，减少装置的结构体积；另外采用非接触磁力方式进行恒速控制，使得恒速控制过程运行平稳柔顺，能够对系绳在受到外部冲击是引起的拉力变化起到鲁棒作用。

Description

一种空间系绳释放展开装置

技术领域

本发明涉及系绳释放展开过程控制领域，特别适用于系绳类结构释放展开过程有分阶段控制要求的领域。

背景技术

随着空间碎片清除技术的发展，开始采用空间系绳进行碎片清除。空间系绳的释放展开，涉及到自由释放展开、恒速控制和减速制动三种释放展开模式。因此，需要设计一种系绳释放展开装置，具备三种释放展开模式阶段性控制的功能。

目前，空间系绳释放展开装置的设计主要采用主动的恒速控制和被动的摩擦制动相结合的方式，主要应用于在空间系绳的稳定释放展开，而空间系绳采用三种释放展开模式阶段性控制的被动释放展开装置设计方面尚未有相关的专利成果。

本专利设计是一种结合了ORT减速原理、磁涡流缓速原理和摩擦制动原理的优点的空间系绳释放展开装置。首先，基于ORT减速原理将系绳释放展开长度转化为阶段性控制的驱动装置；其次，采用磁涡流缓速原理实现第二阶段恒速释放展开要求，最后，采用盘式摩擦制动实现第三阶段减速制动要求。

发明内容

本发明目的在于设计一种空间系绳释放展开装置。能够实现自由释放展开、恒速控制和减速制动三种释放展开模式的阶段性控制，本发明系绳释放展开过程平稳，能够进行多阶段控制过程的平滑过渡；并且恒速控制具有一定的鲁棒性；同时，同轴设计的方式，使得装置结构体积小，同时大大提高了系统的可靠性和可实现范围。

本发明提供一种空间系绳释放展开装置，其特征在于装置包括ORT减速装置、阶段性控制模块和减速制动装置；所述ORT减速装置包括2件ORT减速器组件、磁力片、线杯、系统转动主轴、系绳、防缠绕结构、减速制动片、联轴器、花键和滑动模块；系绳释放展开时带动所述线杯转动，通过所述系统转动主轴将转动传递到设置在左右两边的ORT减速器组件实现减速比的传递，所述ORT减速器通过所述系统转动主轴上的联轴器传递到所述花键输出1/4圈；所述阶段性控制模块包括激波盘，活齿，齿圈，活齿架，滑移模块，输出轴，弹簧解锁控制模块和壳体；所述弹簧解锁控制模块由解锁盘和锁紧弹簧组成；所述系统转动主轴将转动输入所述激波盘，齿圈固定于所述壳体，通过所述活齿架实现减速比输出到所述输出轴；所述输出轴与所述解锁盘固定，所述解锁盘在转动过程中实现对所述锁紧弹簧的解锁进而带动滑移模块的滑动位移实现；所述花键通过弹簧解锁推动滑移模块；所述减速制动结构包括固定环，摩擦片，制动壳；所述摩擦片固定于所述固定环上，所述摩擦片和所述制动壳被作用一定正压力时开始工作；所述固定环与所述滑移模块固联，随着滑移模块一起运动，运动方向有轴线方向。

优选的，该展开装置设置有防缠绕结构，所述防缠绕结构组成包括系绳和出线摆臂；防缠绕时，所述系绳从所述线杯中释放展开；所述出线摆臂端部和所述线杯之间存在楔形角度接触时具有摩擦作用；释放展开过程中所述系绳通过所述出线摆臂，当所述系绳存在拉力时推动所述出线摆臂端部远离线杯，否则，所述出线摆臂通过所述弹簧接触所述线杯，实现所述系绳非释放展开状态时对所述线杯的制动。

优选的，所述磁力片模块结构包括系统组成包括固定环，磁力块，磁力块支撑结构；所述磁力块均布在所述磁力块支撑结构上，所述磁力块间隔布置，确保有效的磁力强度；所述固定环与所述滑移模块固联，随着滑移模块一起运动。

优选的，所述阶段性控制模块释放展开的所述系绳长度L_max和ORT减速器的减速比i_ORT计算公式：

式中B_t为绕所述线杯内侧宽度，即为所述线杯内部系绳绕入的最大宽度；d为所述系绳的直径；r_in为阶段性控制起始时刻，所述系绳在绕所述线杯线轴上的起始半径；L_max为阶段性释放展开的系绳长度；n为所述系绳缠绕层数。D为对应第n层系绳相对轴线的直径；

所述ORT减速器单级传递比取值范围为6～45，所述活齿采用滚针的单级厚度计算公式为：

b＝1.5D_gsin(180/z_g)

式中，b为所述ORT减速器单级厚度；n_t为对应传动比最外圈所在层数；Δl为选取传动比后实际释放展开长度。

优选的，所述磁力片和所述线杯间电磁制动力矩T_m计算公式为：

T_m＝2BI_ebR_c；

S＝ab

式中B为穿过所述线杯的磁感应强度；I_e为所述线杯上产生的电涡流有效值；b为磁极面长度；R_c为线杯中心到磁极中心距离；a为磁极面宽度；Δ_h为涡流在线杯上的集肤深度；ω为线杯转动角速度；ρ为线杯电阻率；μ₀为真空磁导率；μ_r相对磁导率。

优选的，所述制动装置调整盘式摩擦片摩擦系数和预紧力实现减速制动，盘式制动力矩T_b计算公式：

T_b＝μAPL_bN

式中μ为摩擦制动的摩擦系数；A为摩擦制动的接触面积；P为摩擦制动接触压力；L_b为线杯中心到摩擦制动片中心距离；N为所述摩擦片层数。

本发明采用的方法与现有技术相比，解决了现有阶段性被动控制问题后，本发明中的专利能够满足系绳释放展开的恒速控制和减速制动控制要求。

(1)本发明装置恒速控制和减速制动控制相对于线杯对称布局，线杯转轴受力条件好。

(2)本发明装置出线摆臂能够避免线杯转速大于出线速度，结构简单。

(3)具有结构简单，可实现性好，分阶段控制能力可根据工况设计调整等优点。

(4)本发明装置具有多模式转换的阶段性控制的特点，可以用于复杂的系绳释放展开控制，具有广泛的实用性和广阔的市场前景。

附图说明

图1是空间系绳释放展开装置的空间应用。

图2是空间系绳释放展开装置结构示意图。

图3是阶段性控制模块结构示意图。

图4是磁力片模块结构示意图。

图5减速制动结构示意图

图6是防缠绕结构设计示意图。

具体实施方式

实施例

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的空间系绳释放展开装置及功能原理作进一步详细说明。

图1所示为本发明的空间系绳释放展开装置的空间应用。该火箭末级或卫星1、空间系绳释放展开装置2、末端质量3和系绳4共同构成在轨应用系统，通过图1中，a)为空间系绳释放展开装置在释放前状态；b)为空间系绳释放展开装置释放后的空间状态。

图2所示为本发明的空间系绳释放展开装置的结构示意图。该空间系绳释放展开装置的结构包括ORT减速器组件Ⅰ5，磁力片6，线杯7，系统转动主轴8，系绳9，防缠绕结构10，减速制动片11，ORT减速器组件Ⅱ12。系绳释放展开带动线杯转动，通过转轴将转动传递到ORT减速器组件实现减速比的传递，进而通过解锁锁紧弹簧实现磁力片和减速制动片的滑移分别实现系统的阶段性控制。

图3所示阶段性控制模块结构示意图，是图2中ORT减速器组件1、2的技术细节的展开；包括激波盘13，活齿14，齿圈15，活齿架16，滑移模块17，输出轴套18，弹簧解锁控制模块19和壳体20。其中弹簧解锁控制模块由解锁盘和锁紧弹簧组成。系统转动主轴将转动输入激波盘，固齿盘固定于壳体，通过活齿架实现减速比输出到输出轴；输出轴与解锁盘固定，解锁盘在转动过程中实现对锁紧弹簧的解锁进而带动滑移模块的滑动位移实现。

图4所示磁力片模块结构示意图，是图2中减速制动片的技术细节展开；系统组成包括固定环22，磁力块23，磁力块支撑结构24。磁力块均布在磁力块支撑结构上，磁力块间隔布置，确保有效的磁力强度；固定环与图3中滑移模块固联，随着滑移模块一起运动。

图5所示减速制动结构设计示意图，是图2中减速制动片的技术细节展开；系统组成包括固定环25，摩擦片26，制动壳27。摩擦片固定于固定环结构上，当摩擦片和制动壳作用一定正压力情况下开始工作；固定环与图3中滑移模块固联，随着滑移模块一起运动，运动方向有轴线方向。

图6所示防缠绕结构设计示意图，是图2中防缠绕结构的技术细节展开；系统组成包括系统转动主轴，线杯，系绳，出线摆臂28。防缠绕结构中，系绳从线杯中释放展开；出线摆臂端部和线杯之间存在楔形角度接触时具有摩擦作用；释放展开过程中系绳通过出线摆臂，当系绳存在拉力时推动摆臂端部远离线杯，否则，摆臂通过弹簧使得摆臂端部与线杯接触，实现系绳非释放展开状态时线杯制动。

其一实例，为空间系绳采取三个控制阶段的释放展开方式，具体为贮存系绳线杯的内径rin为0.02m,宽度B_t为0.04m，系绳直径d为0.1mm，释放展开的总长度L为2200m，体积限制为190mm×190mm×190mm，系绳末端质量m为30kg，0～100m为系绳自由释放展开阶段；100～2100m为系绳恒速控制释放展开阶段，控制速度v为2m/s，释放展开拉力F为0.04N；2100～2200m为减速制动释放展开阶段，释放时间t_f＝2秒内释放展开速度平稳降为v_f＝0m/s.

首先，根据要求可以知道系统存在两个控制节点，第一个模式切换节点为系绳长度释放展开100m时，第二个模式切换节点为系绳长度释放展开到2100m时分别驱动图2)中解锁盘转动1/4圈，根据公式计算

式中B_t为绕线杯内侧宽度，即为线杯内部系绳绕入的最大宽度；d为系绳的直径；r_in为阶段性控制起始时刻，系绳在绕线杯线轴上的起始半径；L_max为阶段性释放展开的系绳长度；n为系绳缠绕层数。D为对应第n层系绳相对轴线的直径；

可知，实现第一个模式切换节点L_max＝100和第二个模式切换节点L_max＝2100时ORT减速器的传动比分别为：i_ORT1＝1348,i_ORT2＝20454，线杯绕线层数n＝51，线杯的绕线直径为D＝0.0039m.

ORT减速器单级传递比取值范围6～45，活齿采用滚针的单级厚度计算公式为

b＝1.5D_gsin(180/z_g)

式中，b为ORT减速器单级厚度；n_t为对应传动比最外圈所在层数；Δl为选取传动比后实际释放展开长度；

当i_ORT1＝1348时，采用双级传动，取传递比为

长度变化，绕层数

Δl＝0.197m，在允许范围之内，所以第一阶段释放展开系绳实际长度为100-0.197＝99.003m。

b₁＝17.5e^-3,b₂＝24.5e^-3

b_ORT1＝b₁+b₂＝42e^-3

当i_ORT2＝20454时，采用三级传动，取传动比

绕层数

此时Δl＝5.2413m，在允许范围之内，所以第二阶段释放展开系绳实际长度为2000-5.2413＝1994.7587m。此时，传动齿轮的总厚度b_ORT2为

b₁＝0.02595m,b₂＝0.02687m,b₂＝0.02893m

b_ORT2＝b₁+b₂+b₃＝0.08175m

ORT减速器总厚度为b＝b_ORT1+b_ORT2＝0.11068m

其次，恒速控制装置阶段，磁力片与线杯之间产生的磁涡流力矩需要等于系绳拉力，结合恒速控制2m/s要求，由此可以计算磁力片布置的参数。

具体计算步骤如下

由于系绳释放展开过程中，相对线杯的转动轴线的半径R和系绳所处的层数相关，这里由于线杯的半径变化较小，可以取整个绕线层数的均值近似得到，系绳相对轴线的转动半径R_c，计算公式为

综合系绳内力F转动半径R，计算公式为

可知，空间系绳释放展开过程中以恒定速度v运行，需要T_m＝T，将T代入T_m＝2BI_ebR_c得到

这里线杯上导电材料选用铝材，电阻率ρ为3.7×10⁷Ωm；μ₀为真空磁导率，取4π×10^-7H/m；μ_r为相对磁导率，取1。此时，上式中

由于线杯内部绕线直径为D＝0.039m，线杯的内径r_in为0.015m，取均值

与磁力片产生磁涡流缓速效果的导电铝板，外径R_m这里采用0.08m，内径r_m＝0.02m，所以磁极可布置长度和宽度分别为a＝0.06m,b＝0.06m，此时外径周长2πR_m＝0.5027m，内径周长2πr_in＝0.0126m。

所以可以布置磁极数量最多为

个；则N、S磁极构成的闭合回路为8条，采用双侧布置则为16条；进而可以得到所需要的永磁材料参数B＝1.0179T。

最后，在减速制动阶段，减速制动的初始条件(末端质量m、系绳释放速度v、制动时间t_f)为确定的。此时，刹车片可接触面积S为S＝π(R_m-r_m)²＝0.0113m²，根据制动初始速度v，和制动时间t_f，得到制动角加速度α为

设刹车片质量为m_b＝0.2kg，则刹车片转动惯量为

此时减速制动力矩T_b、减速制动力F_b、摩擦制动接触压力P和摩擦系数μ可以通过下式计算得到

T_b＝J_ba＝0.0219Nm

μ＝0.2689

按照以上计算结果，4根释放弹簧刚度k可以选为100N/mm，变形量u选为1mm，即P＝4ku，摩擦片表面摩擦系数选为μ＝0.2689。

综上所述，最终得到装置的外径为D_m＝2R_m＝0.16m，总厚度为t＝B_t+b＝0.15068m，满足体积限制要求。释放展开装置中弹簧刚度k为100N/mm，共8根；ORT减速器修正后的减速传动比为

第一阶段释放展开系绳实际长度为99.003米；第二阶段释放展开系绳实际长度为1994.7587米；第三阶段释放展开系绳实际长度为100米。磁力片采用双侧布置的共32个，产生16条闭合回路，磁感应强度B＝1.0179，磁极可布置长度和宽度分别为a＝6e^-2m,b＝6e^-2m。

Claims (6)

1.一种空间系绳释放展开装置，其特征在于装置包括ORT减速装置、阶段性控制模块和减速制动装置；

所述ORT减速装置包括2件ORT减速器组件、磁力片、线杯、系统转动主轴、系绳、防缠绕结构、减速制动片、联轴器、花键和滑动模块；系绳释放展开时带动所述线杯转动，通过所述系统转动主轴将转动传递到设置在左右两边的ORT减速器组件实现减速比的传递，所述ORT减速器通过所述系统转动主轴上的联轴器传递到所述花键输出1/4圈；

所述阶段性控制模块包括激波盘，活齿，齿圈，活齿架，滑移模块，输出轴，弹簧解锁控制模块和壳体；所述弹簧解锁控制模块由解锁盘和锁紧弹簧组成；所述系统转动主轴将转动输入所述激波盘，齿圈固定于所述壳体，通过所述活齿架实现减速比输出到所述输出轴；所述输出轴与所述解锁盘固定，所述解锁盘在转动过程中实现对所述锁紧弹簧的解锁进而带动滑移模块的滑动位移实现；所述花键通过所述弹簧解锁推动滑动模块；

所述减速制动装置包括固定环，摩擦片，制动壳；所述摩擦片固定于所述固定环上，所述摩擦片和所述制动壳被作用一定正压力时开始工作；所述固定环与所述滑移模块固联，随着滑移模块一起运动，运动方向有轴线方向。

2.根据权利要求1所述的空间系绳释放展开装置，其特征在于该展开装置设置有防缠绕结构，所述防缠绕结构组成包括系绳和出线摆臂；防缠绕时，所述系绳从所述线杯中释放展开；所述出线摆臂端部和所述线杯之间存在楔形角度接触时具有摩擦作用；释放展开过程中所述系绳通过所述出线摆臂，当所述系绳存在拉力时推动所述出线摆臂端部远离线杯，否则，所述出线摆臂通过所述弹簧接触所述线杯，实现所述系绳非释放展开状态时对所述线杯的制动。

3.根据权利要求1所述的空间系绳释放展开装置，其特征在于，所述磁力片模块结构包括固定环，磁力块，磁力块支撑结构；所述磁力块均布在所述磁力块支撑结构上，所述磁力块间隔布置，确保有效的磁力强度；所述固定环与所述滑移模块固联，随着滑移模块一起运动。

4.根据权利要求1所述的空间系绳释放展开装置，其特征在于，所述阶段性控制模块释放展开的修正后系绳长度L和ORT减速器的减速比i_ORT计算公式：

式中B_t为绕所述线杯内侧宽度，即为所述线杯内部系绳绕入的最大宽度；d为所述系绳的直径；r_in为阶段性控制起始时刻，所述系绳在绕所述线杯线轴上的起始半径；L_max为阶段性释放展开的系绳长度；n为所述系绳缠绕层数，D为对应第n层系绳相对轴线的直径；L表示阶段性释放展开的修正后系绳长度，

所述ORT减速器单级传递比取值范围为6～45，所述活齿采用滚针的单级厚度计算公式为：

b＝1.5D_gsin(180/z_g)

式中，b为所述ORT减速器单级厚度；n_t为对应传动比最外圈所在层数；Δl为选取传动比后实际释放展开长度；D_g表示固齿盘分度圆直径、z_g表示固齿盘的齿数、

表示ORT减速器修正后的减速传动比。

5.根据权利要求1所述的空间系绳释放展开装置，其特征在于，所述磁力片和所述线杯间电磁制动力矩T_m计算公式为：

T_m＝2BI_ebR_c；

S＝ab

式中B为穿过所述线杯的磁感应强度；I_e为所述线杯上产生的电涡流有效值；b为磁极面长度；R_c为线杯中心到磁极中心距离；a为磁极面宽度；Δ_h为涡流在线杯上的集肤深度；ω为线杯转动角速度；ρ为线杯电阻率；μ₀为真空磁导率；μ_r相对磁导率。

6.根据权利要求1所述的空间系绳释放展开装置，其特征在于，所述制动装置调整盘式摩擦片摩擦系数和预紧力实现减速制动，盘式制动力矩T_b计算公式：

T_b＝μAPL_bN

式中μ为摩擦制动的摩擦系数；A为摩擦制动的接触面积；P为摩擦制动接触压力；L_b为线杯中心到摩擦制动片中心距离；N为所述摩擦片层数。

Images