非合作目标欠驱动对接捕获机构的设计与研究

摘要

非合作目标对接，是与没有预先准备对接接口及应答装置的目标航天器进行对接。较之于传统的合作目标对接，其技术难度及机构设计难度较大，但其潜在的民用及军用价值，已经引起了欧美各国的关注，并投入大量精力研究，取得了显著的成果，而国内相似研究依然是空白。因此，非合作目标对接技术的研究将填补我国航天技术研究空白，增强国家空间技术优势，捍卫空间安全。本文主要是对非合作目标对接机构进行原理性的设计，并经过理论分析，结合动力学仿真，分析并验证机构设计的合理性和正确性。
　　本文根据前期论证，选择地球同步轨道卫星作为对接捕获对象，并选择该类卫星的远地点反冲发动机喷管作为对接接口，在对该对接接口合理性进行分析的基础上，结合对接初始条件，以及捕获机构设计技术要求等参数，提出了基于欠驱动原理的非合作目标对接机构设计方案。所设计的欠驱动对接捕获机构主要由欠驱动喷管捕获机构、连杆耦合驱动机构、对接提升机构、伞状缓冲装置及与本体连接机构等组成。其中，基于连杆耦合的欠驱动喷管捕获机构的设计是该对接机构设计的重点。
　　然后，在所设计的对接机构基础上，对欠驱动喷管包络捕获机构进行静力学分析，以确定该机构的包络捕获力大小与丝杆驱动转矩之间的关系，为选择合适的驱动方式提供依据；此外，分析了伞状缓冲对心机构与喷管在不同对接条件下的接触状态；并对对接机构捕获稳定性进行理论分析，结合对接伞状缓冲机构的分析，确定了对接捕获机构的包络范围；基于拉格朗日动力学分析理论，对该机构进行动力学分析，确定了各关节转矩与对接机构运动参数之间的关系，为机构的控制提供了必要准备和理论基础。
　　最终，在理论研究及目标卫星振动情况分析的基础上，采用动力学仿真验证了欠驱动对接捕获机构的动力学特性。动力学特性验证主要包括捕获力大小与丝杆驱动转矩之间的关系验证、伞状对心缓冲机构对心缓冲性能验证、欠驱动捕获机构对喷管初始状态及最终形状自适应能力的验证。理论分析与仿真结果吻合，表明所设计的欠驱动对接捕获机构，具有一定的喷管初始位置及形状适应能力，并能顺利完成对目标星的对接捕获，满足驱动原件尽可能少、自由度尽可能多及捕获范围尽可能大的目标要求。

目录

非合作目标欠驱动对接捕获机构的设计与研究

DEDIGN AND RESEARCH ON THEDOCKING AND UNDERACTUATEDCAPTURING MECHANISM FOR THEUNCOOPEATIVE TARGET SATELLITES

摘 要

Abstract

目 录

第1章绪论

1.1课题背景

1.2课题研究的目的及意义

1.3对接机构国内外研究现状

1.3.1合作目标研究现状

1.3.2空间机器人合作目标及自主对接技术现状

1.3.3非合作目标对接捕获技术现状

1.4论文研究的主要内容

第2章非合作目标捕获方案选择及机构设计

2.1非合作目标对接捕获技术难点

2.2非合作目标对接捕获方案及原理

2.2.1对接接口选择合理性分析

2.2.2对接初始条件

2.2.3对接捕获方案

2.3欠驱动对接捕获机构设计

2.3.1非合作目标对接机构设计要求

2.3.2欠驱动对接捕获机构总体方案设计

2.3.3两关节欠驱动喷管抓取捕获机构方案比较与设计

2.3.4机械臂末端缓冲装置设计要求

2.3.5欠驱动捕获机械臂各关节设计方案

2.3.6伞状对心缓冲机构设计方案

2.4本章小结

第3章欠驱动对接捕获机构力学及捕获稳定性分析

3.1欠驱动对接捕获机械臂准静力学分析

3.2两关节欠驱动对接捕获机构力学特性分析

3.3欠驱动捕获机械臂包络抓取范围及缓冲柱位置分析

3.3.1上同对接初始条件下伞状缓冲装置与喷管接触位置分析

3.3.2欠驱动机械臂包络捕获范围分析

3.3.3欠驱动机械臂包络捕获稳定性分析

3.4欠驱动捕获机械臂动力学分析

3.5本章小结

第4章欠驱动捕获机构动捕获力及被动柔顺自适应特性仿真

4.1机械动力学仿真实现方式及流程

4.1.1ADAMS动力学仿真实现方式

4.1.2对接机构ADAMS仿真流程与内容

4.2对接捕获过程缓冲分析

4.3两关节欠驱动对接捕获机构仿真分析

4.3.1对接过程目标星及欠驱动机械臂动态特性分析

4.3.2欠驱动对接机构捕获抓取力及关节受力的仿真分析

4.4本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致 谢