贺 超 吴 臣 谭 庆

（湖南国防工业职业技术学院，湘潭 411207）

在轨维护和维修、在轨加注、在轨功能扩展和软件升级等在轨服务任务，日益成为我国卫星发展的重要任务[1-5]。现有的空间对接捕获和锁紧装置存在不能兼容多种直径目标卫星法兰、对接时冲击较大以及锁紧后没有能量缓冲等问题。本文在前人研究的基础上，提出一种能适应不同直径目标卫星法兰、锁紧元器件带有结构简单、动作可靠的缓冲元件的模块化捕获锁紧装置。

1 研究背景

在现代科技体系中，卫星在通信、导航、预警以及气象等军用和民用领域发挥着重要作用。随着人类太空活动的日益频繁和航天科技的迅猛发展，太空中的卫星数量迅速增多。卫星发射后除了日常的使用和远程控制外，人类对卫星的维修、维护以及升级等能力有待提升，存在故障卫星难以修理、报废卫星难以清除、燃料耗尽的卫星明明其他系统正常却不得不报废以及卫星难以根据需要进行升级扩展等问题。卫星具有高应用价值，其损失和失效将会带来巨大的经济损失，故在卫星维修维护领域的支撑性研发课题具有巨大的经济价值。未来社会的发展中，智能化等科技革命对卫星的通信、导航等需求将会急剧扩大，卫星数量、卫星种类也将出现高速增长，对应的在轨服务系统的搭建与运行将成为必然。卫星在未来将向在轨可建造、在轨可扩展、在轨可重构的方向发展。因此，针对卫星的捕捉技术将成为空间在轨服务技术开展与应用的重要一环。

随着航天器的研发与应用，以及一系列航天任务的探索与实施，美国、欧洲、日本以及加拿大等国家和地区，在故障维修、维护保障、在轨装配以及服务性设计等方面进行了相关探索。目前的在轨服务通常是基于某个具体任务进行的针对性操作，如哈勃望远镜在轨维修、国际空间站太阳能帆板加装以及太阳极大年使者（Solar Maximum Mission，SMM）探测器维修等。虽然尚未形成系统的在轨服务体系，但是积累了大量经验。

目前，国内外围绕在轨维修、辅助变轨、卫星延寿、在轨维修以及碎片清除等关键任务开展了多项在轨服务项目。作为空间在轨服务中的关键部分，卫星捕获与轨道调整系统发挥着关键作用。

在国外，美国的在轨服务技术领域领先于其他各国，美国宇航局、国防高级研究计划局以及美国空军等，均提出了相关计划。在可预见的未来，私人航天公司将会大规模参与在轨服务业务。美国在轨服务项目主要有自主交会技术验证卫星、试验卫星服务系统、轨道快车、微小卫星技术试验、轨道通用轨道修正航天器、前端机器人使能近期演示验证、凤凰以及詹姆斯·韦伯空间望远镜等。

在国内，从21世纪初开始，在国家自然科学基金的支持下，我国对空天飞行器若干重大基础问题进行了跨学科联合科研，同时航天试验系统和工业部门也进行了许多尝试。目前，有关在轨服务的技术研究还很零散，很多工作尚处于概念研究阶段，对什么是航天器在轨服务、在轨服务包括哪些内容、通过哪些途径实现、发展在轨服务需要关联到哪些技术等，都尚未有系统和清晰的思路，没有上升到理论层面。学术与技术主要关注在跟踪研究方面，没有形成广泛认可的概念和技术体系。

随着我国航天事业的不断发展，航天探索与应用不断深入，在轨服务的技术体系将逐步建立。随着工程实践的不断积累，借鉴国外成功经验，我国在轨服务将迎来突破性发展。

2 工作原理及结构组成

捕获锁紧装置结构如图1所示，由滑动座、小连杆、接触板、导引杆、楔形块、捕获电机、丝杠组件、适应电机、联轴器、固定座、传动轴、内撑手指组件、传动箱、弹簧连杆、刚性连杆以及下压锁紧组件等零部件组成。固定座是其余零部件的基础安装平台，负责安装各种传感器与运动部件，并对部件运动进行引导和约束。捕获电机、适应电机、传动箱通过螺钉固定安装在固定座上。卫星捕获过程有若干动作，通过对机械结构的优化设计，成功大幅削减了电机数量。丝杠一端通过轴承套接在固定座的安装孔内，另一端通过轴承套接在滑动座内的安装孔内。可以通过丝杠放大驱动扭矩，实现滑动座整体的运动。滑动座通过T形凸起安装在固定座的矩形槽内，在丝杠螺母的带动下可沿固定座的矩形槽滑动。滑动座上面的4个小连杆两端分别与接触板和滑动座铰接，接触板用于贴合靠近卫星法兰，为悬空状态，仅通过小连杆与系统相连。刚性连杆通过四方套接在传动箱的涡轮方孔内，与涡轮形成固定关系。内撑手指组件和下压锁紧组件中部通过轴承与刚性连杆铰接，尾端通过销轴与弹性连杆铰接。因为不同法兰尺寸的差异，下压锁紧连杆的下压动作不能为刚性，必须为匹配不同尺寸而具备一定的柔性，所以增设了弹簧连杆，避免损坏卫星法兰或捕获装置。

图1 结构示意图

工作时适应电机旋转，依次驱动传动轴、蜗杆、蜗轮、刚性连杆，使内撑手指组件和下压锁紧连杆对准目标卫星法兰中心，随后捕获电机转动，驱动丝杠带动丝杠螺母和滑动座向法兰中心移动[6-11]。此过程中接触板接触到目标卫星后，在连杆带动下向下平移，将目标卫星法兰下压，直至法兰将楔形块后推，使法兰位置被限制在楔形块和固定座之间。捕获电机继续转动，滑动座接触到内撑手指组件后，推动内撑手指组件和下压锁紧组件逆时针转动。下压手指组件接触法兰后将法兰锁紧在固定座上，完成对目标卫星的锁紧。锁紧后，接触板能限制卫星法兰位置，避免柔性下压锁紧在遇到强烈冲击时脱开。

3 仿真结果及分析

应用刚体动力学仿真软件ADAMS建立如图2所示的刚体动力学仿真模型。先在固定座、捕获电机、适应电机与大地施加固定副，然后捕获电机与丝杠施加固定副，适应电机与传动轴施加固定副。此外，需要在丝杠螺母与滑动座施加固定副，丝杠与丝杠螺母之间施加螺旋副。螺旋副参数根据丝杠选型确定，小连杆与滑动座和接触板分别施加转动副。楔形块与导引杆施加固定副后，与固定座施加滑动副，并在固定座与楔形块安装孔之间增加弹簧模型，使其具备一定的复位能力。传动轴与蜗杆施加固定副。蜗轮和蜗杆之间施加接触副。蜗轮与刚性连杆之间施加固定副。内撑手指组件和下压锁紧连杆组件中部与刚性连杆施加旋转副，尾端与弹簧连杆施加旋转副。内撑手指组件与滑动座施加接触副。接触板、内撑手指组件、下压锁紧连杆组件分别与目标卫星法兰施加接触副[12-15]。各接触副之间静摩擦系数设定为0.1，动摩擦系数设定为0.05。

下压连杆锁紧组件前端位移速度规律如图3所示，最大位移为4.5 mm，符合下压行程要求。结合弹簧连杆弹性，它满足大尺寸法兰下压时的安全要求。最大下压速度为21 mm·s-1，总体上下压平滑，运动过程中各部件运动规律符合预期，不同阶段动作切换流畅，法兰下压到位，没有出现法兰偏转、脱离问题，与目标卫星的法兰无较大的冲击振动。

图3 下压锁紧连杆组件前端位移速度规律

4 结语

在前人研究的基础上，提出了一种使用蜗轮蜗杆驱动刚性连杆转动实现适应不同直径目标卫星法兰使锁紧面积最大化的方案，同时采用四连杆联动机构实现对目标卫星法兰的下压锁紧，结构简单可靠。仿真分析表明，此方案能在理论上满足对目标卫星法兰的捕获和锁紧，具备进一步实施工程实践的理论基础。后续将持续优化和改进装置性能和可靠性，适当设置动力冗余，避免长时间工作时驱动失效，同时对接触摩擦部件增加固体润滑涂层，进一步优化动作导引相关导引槽外形，实现运动平缓、冲击轻微。此外，可以通过工程试制和样机试验不断测试、完善装置功能。