CN111038744B - 一种主动捕获式航天器对接系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种主动捕获式航天器对接系统，属于航天器对接技术领域；包括被动对接系统和主动对接系统；被动对接系统包括被动航天器、2个靶标和被动对接端面；被动航天器为轴向竖直放置的柱状结构；对接端面设置在被动航天器的轴向底端中部；2个靶标对称设置在被动对接端面的两侧；主动对接系统包括主动航天器、2个捕获装置和主动对接端面；主动航天器为轴向竖直放置的柱状结构；主动对接端面设置在主动航天器的轴向顶端中部；2个捕获装置设置在主动航天器的轴向顶端；且2个捕获装置对称设置在主动对接端面的两侧；本发明采用一种基于主动捕获方式，通过运动机构实现对目标航天器的自主捕获和缓冲的对接系统。

Description

一种主动捕获式航天器对接系统

技术领域

本发明属于航天器对接技术领域，涉及一种主动捕获式航天器对接系统。

背景技术

空间对接机构(亦称对接系统)可以实现空间在轨航天器之间的结构连接并保持连接使其成为一个整体，最终还能实现航天器之间的正常分离或紧急分离。所述航天器是配置为在太空中执行规定任务的运载器、飞船、卫星、舱段以及结构体等，对接系统广泛应用于空间站和空间实验室等大型航天器、舱段及设施的在轨组装、建设、补给、维修以及空间救援等领域。

要对接的一对航天器包括主动航天器和目标航天器，主动航天器接近目标航天器实现对接。例如，神舟八号、神舟九号、神舟十号载人飞船属于主动航天器，接近处在空间轨道上的天宫一号为目标航天器，通过对接系统实现对接、保持和分离。另一些情况可以是与卫星对接，并对卫星进行维护操作。

在对接开始前，主动航天器在自主导航控制的作用下，携带对接系统的主动结构，目标航天器上的被动结构，且允许在航天器之间存在一定的初始相对偏差的情况下，执行对接操作。

该对接系统提供对目标航天器的自主捕获、缓冲、校正以及拉回的功能，所述自主操作被配置为，当一对航天器接近至对接系统的工作范围内时，接下来的一系列对接任务由对接系统自主地完成。

传统周边式对接系统的捕获缓冲装置为一套复杂的机械式装置，其装配复杂度较高，体积和质量较大，对接过程伴随有较大的碰撞力。而对于传统对接系统的质量和结构特性，可能需要的成本和付出的代价较高。而且，其发生失效的可能性也会增加。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种主动捕获式航天器对接系统，采用一种基于主动捕获方式，通过运动机构实现对目标航天器的自主捕获和缓冲的对接系统。

本发明解决技术的方案是：

一种主动捕获式航天器对接系统，包括被动对接系统和主动对接系统；被动对接系统包括被动航天器、2个靶标和被动对接端面；其中，被动航天器为轴向竖直放置的柱状结构；对接端面设置在被动航天器的轴向底端中部；2个靶标设置在被动航天器轴向底端面；且2个靶标对称设置在被动对接端面的两侧；主动对接系统包括主动航天器、2个捕获装置和主动对接端面；其中，主动航天器为轴向竖直放置的柱状结构；主动对接端面设置在主动航天器的轴向顶端中部；2个捕获装置设置在主动航天器的轴向顶端；且2个捕获装置对称设置在主动对接端面的两侧；被动对接系统为实时飞行状态。

在上述的一种主动捕获式航天器对接系统，所述2个捕获装置分别与2个靶标一一对应；通过捕获装置捕获对应靶标实现锁死；拉动被动对接系统实现与主动对接系统对接。

在上述的一种主动捕获式航天器对接系统，所述捕获装置包括腰关节、肩关节、肘关节、腕关节、抱爪、力传感器、视觉相机、第一连杆和第二连杆；其中，腰关节固定安装在主动航天器的轴向顶端上表面；肩关节设置在腰关节的顶端；第一连杆的轴向底端与肩关节连接；肘关节设置在第一连杆的轴向顶端；第二连杆的轴向底端与肘关节连接；腕关节设置在第二连杆的轴向顶端；抱爪设置在腕关节的顶部；力传感器固定设置在抱爪的侧壁处；视觉相机固定设置在抱爪的侧壁处，且视觉相机指向抱爪方向。

在上述的一种主动捕获式航天器对接系统，腰关节实现相对于主动航天器绕z轴旋转；第一连杆通过肩关节实现相对于腰关节绕x轴旋转；第二连杆通过肘关节实现相对于第一连杆绕x轴旋转；抱爪通过腕关节实现相对于第二连杆绕x轴旋转。

在上述的一种主动捕获式航天器对接系统，所述视觉相机实现对靶标的跟踪定位；所述力传感器实现测量抱爪的承力载荷。

在上述的一种主动捕获式航天器对接系统，所述对接系统的工作过程为：

主动对接系统向实时移动的被动对接系统靠近，当主动对接系统与被动对接系统的距离缩短至视觉相机工作范围内时，根据视觉相机对靶标的跟踪定位；通过第一连杆、第二连杆、腰关节、肩关节、肘关节和腕关节的旋转配合，实现抱爪对靶标捕获；再次通过第一连杆、第二连杆、腰关节、肩关节、肘关节和腕关节的旋转配合，实现对主动对接系统与被动对接系统之间动能差的缓冲消散；通过2个捕获装置旋转弯折缩短，将被动对接系统缓慢拉至主动对接系统的位置，最终实现被动对接端面与主动对接端面的对接，抱爪脱离靶标，对接结束。

在上述的一种主动捕获式航天器对接系统，所述被动对接端面和主动对接端面的侧壁处均设置有锁紧装置；当被动对接端面与主动对接端面对接完成后实现锁死。

在上述的一种主动捕获式航天器对接系统，当需要将主动对接系统与被动对接系统分离时，锁紧装置解锁；通过捕获装置将主动对接系统和被动对接系统推开至安全距离，完成分离。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明的捕获装置有足够的灵活性偏离中心位置，去适应与之对接的目标航天器上的捕获接口之间的位姿偏差，实现捕获锁基本对准捕获接口后柔性捕获；

(2)本发明的捕获装置在自身的运动范围内具有缓冲耗能的能力，通过主动控制的方式，适应多种对接目标的需求；

(3)本发明的运动机构偏离中心位置后，具有校正捕获接口恢复到中心位置的能力；

(4)本发明碰撞过程中产生的力/力矩，能够得到有效控制；

(5)本发明在捕获、碰撞、缓冲、校正完成后，运动机构能够使得两航天器相互靠近，为刚性连接做准备。

附图说明

图1为本发明被动对接系统和主动对接系统示意图；

图2为本发明捕获装置结构示意图；

图3为本发明抱爪捕获靶标示意图；

图4为本发明动能差的缓冲示意图；

图5为本发明对接完成示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

本发明提供一种主动捕获式航天器对接系统，比航天器目前使用的对接系统重量更轻、结构更简化的装置和对接系统。一种基于主动捕获方式，采用运动机构实现对目标航天器的自主捕获和缓冲，其主动捕获装置一般安装于主动航天器，如载人飞船、货运飞船以及其他航天器上等，被动对接装置一般安装于目标航天器，如天宫一号、天宫二号、空间站、卫星、以及其他航天器等。

如图1所示，主动捕获式航天器对接系统，主要包括被动对接系统1和主动对接系统2；被动对接系统1包括被动航天器11、2个靶标12和被动对接端面13；其中，被动航天器11为轴向竖直放置的柱状结构；对接端面13设置在被动航天器11的轴向底端中部；2个靶标12设置在被动航天器11轴向底端面；且2个靶标12对称设置在被动对接端面13的两侧；主动对接系统2包括主动航天器21、2个捕获装置22和主动对接端面23；其中，主动航天器21为轴向竖直放置的柱状结构；主动对接端面23设置在主动航天器21的轴向顶端中部；2个捕获装置22设置在主动航天器21的轴向顶端；且2个捕获装置22对称设置在主动对接端面23的两侧；被动对接系统1为实时飞行状态。2个捕获装置22分别与2个靶标12一一对应；通过捕获装置22捕获对应靶标12实现锁死；拉动被动对接系统1实现与主动对接系统2对接。

如图2所示，捕获装置22包括腰关节221、肩关节222、肘关节223、腕关节224、抱爪225、力传感器226、视觉相机227、第一连杆228和第二连杆229；其中，腰关节221固定安装在主动航天器21的轴向顶端上表面；肩关节222设置在腰关节221的顶端；第一连杆228的轴向底端与肩关节222连接；肘关节223设置在第一连杆228的轴向顶端；第二连杆229的轴向底端与肘关节223连接；腕关节224设置在第二连杆229的轴向顶端；抱爪225设置在腕关节224的顶部；力传感器226固定设置在抱爪225的侧壁处；视觉相机227固定设置在抱爪225的侧壁处，且视觉相机227指向抱爪225方向。腰关节221实现相对于主动航天器21绕z轴旋转；第一连杆228通过肩关节222实现相对于腰关节221绕x轴旋转；第二连杆229通过肘关节223实现相对于第一连杆228绕x轴旋转；抱爪225通过腕关节224实现相对于第二连杆229绕x轴旋转。视觉相机227实现对靶标12的跟踪定位；所述力传感器226实现测量抱爪225的承力载荷。

对接系统的工作过程为：

主动对接系统2向实时移动的被动对接系统1靠近，当主动对接系统2与被动对接系统1的距离缩短至视觉相机227工作范围内时，根据视觉相机227对靶标12的跟踪定位；通过第一连杆228、第二连杆229、腰关节221、肩关节222、肘关节223和腕关节224的旋转配合，实现抱爪225对靶标12捕获，如图3所示；再次通过第一连杆228、第二连杆229、腰关节221、肩关节222、肘关节223和腕关节224的旋转配合，实现对主动对接系统2与被动对接系统1之间动能差的缓冲消散，如图4所示；缓冲结束后，主动对接系统2与被动对接系统1间的相互位姿发生了较大的变化，需要由两组捕获装置22相互配合进行位姿的校正，使得两航天器处于同轴的位置。这时由控制系统给出拉回任务的路径规划，并由捕获装置22同时移动，并且要求沿直线平稳拉回，使得主被动对接系统框贴合并且对接锁系启动并扣紧锁钩，实现刚性连接，具体为通过2个捕获装置22旋转弯折缩短，将被动对接系统1缓慢拉至主动对接系统2的位置，最终实现被动对接端面13与主动对接端面23的对接，抱爪225脱离靶标12，对接结束，如图5所示。被动对接端面13和主动对接端面23的侧壁处均设置有锁紧装置；当被动对接端面13与主动对接端面23对接完成后实现锁死。

捕获装置22刚度和阻尼参数可调，可以改变其缓冲能力，适应多种吨位航天器之间的自主对接任务。

当需要将主动对接系统2与被动对接系统1分离时，锁紧装置解锁；由捕获装置22将主动对接系统2和被动对接系统1推开至安全距离，随后发动机启动进一步扩主动对接系统2和被动对接系统1间的距离，完成分离任务，捕获装置22回到收紧位置，做好下一次对接准备。

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 (6)

1.一种主动捕获式航天器对接系统，其特征在于：包括被动对接系统(1)和主动对接系统(2)；被动对接系统(1)包括被动航天器(11)、2个靶标(12)和被动对接端面(13)；其中，被动航天器(11)为轴向竖直放置的柱状结构；对接端面(13)设置在被动航天器(11)的轴向底端中部；2个靶标(12)设置在被动航天器(11)轴向底端面；且2个靶标(12)对称设置在被动对接端面(13)的两侧；主动对接系统(2)包括主动航天器(21)、2个捕获装置(22)和主动对接端面(23)；其中，主动航天器(21)为轴向竖直放置的柱状结构；主动对接端面(23)设置在主动航天器(21)的轴向顶端中部；2个捕获装置(22)设置在主动航天器(21)的轴向顶端；且2个捕获装置(22)对称设置在主动对接端面(23)的两侧；被动对接系统(1)为实时飞行状态；

所述2个捕获装置(22)分别与2个靶标(12)一一对应；通过捕获装置(22)捕获对应靶标(12)实现锁死；拉动被动对接系统(1)实现与主动对接系统(2)对接；

所述捕获装置(22)包括腰关节(221)、肩关节(222)、肘关节(223)、腕关节(224)、抱爪(225)、力传感器(226)、视觉相机(227)、第一连杆(228)和第二连杆(229)；其中，腰关节(221)固定安装在主动航天器(21)的轴向顶端上表面；肩关节(222)设置在腰关节(221)的顶端；第一连杆(228)的轴向底端与肩关节(222)连接；肘关节(223)设置在第一连杆(228)的轴向顶端；第二连杆(229)的轴向底端与肘关节(223)连接；腕关节(224)设置在第二连杆(229)的轴向顶端；抱爪(225)设置在腕关节(224)的顶部；力传感器(226)固定设置在抱爪(225)的侧壁处；视觉相机(227)固定设置在抱爪(225)的侧壁处，且视觉相机(227)指向抱爪(225)方向。

2.根据权利要求1所述的一种主动捕获式航天器对接系统，其特征在于：腰关节(221)实现相对于主动航天器(21)绕z轴旋转；第一连杆(228)通过肩关节(222)实现相对于腰关节(221)绕x轴旋转；第二连杆(229)通过肘关节(223)实现相对于第一连杆(228)绕x轴旋转；抱爪(225)通过腕关节(224)实现相对于第二连杆(229)绕x轴旋转。

3.根据权利要求2所述的一种主动捕获式航天器对接系统，其特征在于：所述视觉相机(227)实现对靶标(12)的跟踪定位；所述力传感器(226)实现测量抱爪(225)的承力载荷。

4.根据权利要求3所述的一种主动捕获式航天器对接系统，其特征在于：所述对接系统的工作过程为：

主动对接系统(2)向实时移动的被动对接系统(1)靠近，当主动对接系统(2)与被动对接系统(1)的距离缩短至视觉相机(227)工作范围内时，根据视觉相机(227)对靶标(12)的跟踪定位；通过第一连杆(228)、第二连杆(229)、腰关节(221)、肩关节(222)、肘关节(223)和腕关节(224)的旋转配合，实现抱爪(225)对靶标(12)捕获；再次通过第一连杆(228)、第二连杆(229)、腰关节(221)、肩关节(222)、肘关节(223)和腕关节(224)的旋转配合，实现对主动对接系统(2)与被动对接系统(1)之间动能差的缓冲消散；通过2个捕获装置(22)旋转弯折缩短，将被动对接系统(1)缓慢拉至主动对接系统(2)的位置，最终实现被动对接端面(13)与主动对接端面(23)的对接，抱爪(225)脱离靶标(12)，对接结束。

5.根据权利要求4所述的一种主动捕获式航天器对接系统，其特征在于：所述被动对接端面(13)和主动对接端面(23)的侧壁处均设置有锁紧装置；当被动对接端面(13)与主动对接端面(23)对接完成后实现锁死。

6.根据权利要求5所述的一种主动捕获式航天器对接系统，其特征在于：当需要将主动对接系统(2)与被动对接系统(1)分离时，锁紧装置解锁；通过捕获装置(22)将主动对接系统(2)和被动对接系统(1)推开至安全距离，完成分离。

Images