空间对接机构技术综述

对空间对接机构及其技术进行了综述。将空间对接机构分为载人大型对接机构和非密封小型对接机构两大类,阐述了空间对接机构的物资补给与人员轮换、大型航天器或平台在轨装配、航天器在轨服务,以及探测器飞行过程构型优化等主要用途。将空间对接技术划为早期探索、实用、发展成熟和深入发展4个阶段。归纳了主要空间对接机构的特点。分析了空间对接技术中的总体设计、关键部件研制、对接力学仿真、对接机构试验等难点。回顾了我国空间对接技术的发展历程,以及突破的总体技术方案、捕获与缓冲设计、连接设计,以及其它设计要素等关键技术。给出了我国空间对接机构应用取得的重大成就。介绍了国外载人弱撞击式对接机构、停靠性对接机构和卫星对接机构等新型空间对接机构的研究背景、进展和涉及的关键技术。提出了未来我国空间对接技术发展路线,建议开展弱撞击对接系统、卫星对接机构的研究,并将合作目标对接技术向非合作目标捕获方向拓展。     

载人航天器加压连接机构研究

载人航天器加压连接机构，按连接功能可分为对接机构、停靠机构与统一对接／停靠机构3类。目前空间应用的连接机构有俄罗斯杆锥对接机构，俄罗斯混合对接机构，导向瓣内翻式“雌雄同体（异体同构）周边装配系统”，以及美国的“通用停靠机构”。统一对接／停靠机构正在研制中，如欧洲的“国际停靠对接机构”与美国的“NASA对接系统”。文章全面、系统地分析了对接机构、停靠机构与统一对接／停靠机构的构型与特点，以及连接机构的统一性与标准化问题。     

对接机构分系统研制

介绍了我国神舟八号飞船和天宫一号目标飞行器对接试验的对接机构分系统的组成、控制时序、设计方案,以及可靠性与安全性。给出了对接机构分系统研制中总体设计、动力学仿真、试验和关键部件研制等关键技术,以及整机特性测试、连接分离试验、热真空对接与分离试验、寿命试验等验证情况。回顾了对接机构分系统的研制过程。     

对接机构动力学仿真

以神舟飞船的对接机构为研究对象,介绍了不同研制阶段仿真的任务规划,给出了研究中的对接机构仿真分析的捕获缓冲参数设计、数字样机、对接过程动力学仿真评估、试验验证与模型修正,以及对接动力学试验等。     

航天器爪型对接机构对接过程动力学仿真分析

航天器对接机构是完成空间在轨对接任务的核心机构,要保证成功完成对接任务,必须清楚掌握其对接过程动力学作用机理与表现。文章针对爪型对接机构的对接过程开展动力学研究,建立了考虑对接过程中的接触、摩擦及碰撞等非线性因素的对接机构动力学模型,进行对接过程的全程动力学仿真模拟,详细分析了对接过程的影响因素与作用机理,并从能量角度分析了缓冲器的工作性能,可为爪型对接机构的设计、对接初始条件确定和控制策略的制定提供参考。     

一种空间对接机构的简化建模方法及其在实验舱侧向再对接中的应用

针对异体同构周边内翻式对接机构，从详细的传动原理及工程实践两方面说明可以建立简化的对接机构缓冲系统模型，既不损失对接机构性能特点，且简化了模型实现和计算。基于此，建立转位机构辅助实验舱侧向再对接仿真模型，给出仿真结果，并与试验结果进行对比，对比的数值和趋势一致性较好，运动量的误差值小于10%，模型仿真结果可以作为空间站侧向再对接流程设计的依据。这种简化的对接机构模型也可以用于机械臂辅助再对接动力学过程建模。     

固液捆绑运载火箭主捆绑机构设计

结合新一代固液捆绑运载火箭的特点和需求,提出了一种新型固体助推器主传力点捆绑机构的轻量化设计方案。方案采用了静力学分析软件对该主捆绑机构开展结构布局优化、拓扑结构优化以及自适应对接设计及分析,实现300 mm径向空间下1 800 kN偏置集中力承载、均匀扩散功能和在70 t重载下轻便自适应对接等功能。通过仿真分析和试验验证,证明了该主捆绑机构满足承载扩散和对接要求。     

对接机构综合试验台运动模拟器建模分析

空间对接机构六自由度综合试验台，是对接机构研制所必须的地面试验设备之一，用于对接机构空间对接过程的仿真试验，全面考核对接机构的捕获与缓冲校正能力。利用虚功原理建立了对接机构综合试验台运动模拟器的多体动力学模型，该模型全面地表征了六自由度运动模拟器的动力学特性，且具有简单、通用的形式，对六自由度运动平台的液压驱动系统进行了建模，从而建立六自由度运动模拟器系统模型。在建立该模型的基础上，使用Simulink对运动模拟器的位置跟踪特性进行了仿真分析，结果表明所设计的控制系统满足工程试验的需求。     

空间对接机构的技术发展

概述了空间对接的发展历史;分析了国外几种不同类型的典型空间对接机构的对接过程、结构形式、工作原理及其基本特性;对对接初始条件、对接机构与姿控系统的接口关系、对接运动学与动力学等问题做了初步研究。     

俄罗斯典型空间对接机构及其特性

简要介绍了俄罗斯几种典型的空间对接机构,其中包括从六十年代至今,联盟号飞船所使用的三种最具代表性的对接机构,着重分析了它们的结构组成、工作原理、对接过程以及彼此之间的差别。     

柔性锥-杆式对接机构碰撞过程仿真研究

以中小型航天器普遍采用的锥-杆式对接机构为研究对象,提出一种柔性对接锥作为缓冲系统的方案,用柔性锥变形吸收撞击能量作为缓冲。用有限元法对碰撞过程进行仿真,讨论了柔性对接锥作为缓冲系统的性能对对接过程的影响。仿真结果表明:与普通对接锥相比,柔性锥能减小碰撞力峰值50%多。     

空间对接过程的仿真研究

分析了内翻式异体同构周边式对接机构的接触形式，控制模型和力学模型，建立了对接过程的动力学仿真模型。利用试验数据对该模型进行了验证，并在此基础上进行对接过程的仿真研究。     

主动控制式对接机构对接预捕获阶段的仿真

介绍了主动控制式对接机构对接的基本操作过程，并以具有六个作动阻尼器的主动接制式对接机构为例，对对接预捕获阶段作了详细的研究。 该阶段两对接飞行器的运动方程，给出了作动／阻尼器为满足捕获条件所需达到的长度的计算方法，设计了控制回路，在此基础上作了数值仿真。仿真结果表明，建立的数学模型是正确的，设计的控制系统控制效果良好。     

周边式对接机构对接捕获阶段的三体力元动力学模型

在空间交会对接过程中，从首次接触碰撞到完成捕获这一阶段称为对接捕获阶段，对对接捕获阶段动力学性态的研究是空间交会对接技术的关键，建立动力学模型进行仿真是研究的一个有效途径。以有内导向瓣异体同构周边式对接机构为研究对象，从机构的物理模型出发建立了对接捕获阶段的三体力元模型。该模型考虑了缓冲系统六个方向之间的耦合和缓冲系统中齿轮等转动部件惯量的影响。并在动力学仿真软件DADS的接口上开发相应的用户模块。在DADS平台上完成对接过程的动力学仿真。     

ARCADE small-scale docking mechanism for micro-satellites

The development of on-orbit autonomous rendezvous and docking (ARD) capabilities represents a key point for a number of appealing mission scenarios that include activities of on-orbit servicing, automated assembly of modular structures and active debris removal. As of today, especially in the field of micro-satellites ARD, many fundamental technologies are still missing or require further developments and micro-gravity testing.In this framework, the University of Padova, Centre of Studies and Activities for Space (CISAS), developed the Autonomous Rendezvous Control and Docking Experiment (ARCADE), a technology demonstrator intended to fly aboard a BEXUS stratospheric balloon. The goal was to design, build and test, in critical environment conditions, a proximity relative navigation system, a custom-made reaction wheel and a small-size docking mechanism.The ARCADE docking mechanism was designed against a comprehensive set of requirements and it can be classified as small-scale, central, gender mating and unpressurized. The large use of commercial components makes it low-cost and simple to be manufactured. Last, it features a good tolerance to off-nominal docking conditions and a by-design soft docking capability.The final design was extensively verified to be compliant with its requirements by means of numerical simulations and physical testing. In detail, the dynamic behaviour of the mechanism in both nominal and off-nominal conditions was assessed with the multibody dynamics analysis software MD ADAMS 2010 and functional tests were carried out within the fully integrated ARCADE experiment to ensure the docking system efficacy and to highlight possible issues. The most relevant results of the study will be presented and discussed in conclusion to this paper.     

对接综合试验台控制系统软件快速原型开发技术

对基于快速原型设计睁对接综合试验台控制系统软件开发进行了研究。介绍了根据系统方案进行的中央控制台软件设计和模型计算机软件开发等。给出了快速原型设计,以及包括接口设计、配置管理、文档管理等软件工程化管理等关键技术。