一种用于空间对接的陀螺式能量转换装置及方法与流程

本发明属于航天技术领域，尤其涉及一种用于空间对接的陀螺式能量转换装置及方法。

背景技术：

随着航天领域科学研究的不断深入，空间在轨的人类科学活动越发多样性，太空开发应用也越发频繁，而空间交会对接技术是航天器完成空间在轨操作任务的基础。半个多世纪以来，人类以交会对接技术为基础完成了空间站建造、长期在轨驻留、载人登月和深空探测等复杂航天活动，成功进行了三百多次有人或无人参与的空间交会对接任务，可以说空间交会对接技术己经成为当今和今后一段时期内，进行空间探索的一个关键问题。

在航天器之间交会对接的方案选择上，一般较为成熟的或者已经实现的交会对接任务，大多基于合作目标之间的交会对接，也就是在实现对接的最后阶段，两个航天器之间的相对速度较小或者无相对速度，而对于相对速度较大的两个航天器之间的对接技术并不成熟。此外，在轨的非合作目标一般具有较高的速度，实现与非合作目标的交会对接的技术需要进一步研究。

在相对速度较大的航天器之间或者与非合作目标的交会对接中，为了消除与其较大的相对速度，现今技术中一般有两种方法：一种方法是利用机动的方式，进行速度匹配，使两个航天器之间的相对速度减小，直到没有相对运动，进而实现交会对接。但是该方案的不足之处在于由于相对速度较大，在速度匹配的过程中会消耗很多能量，这样降低了对接后航天器整体的机动能力。第二种方案是多使用摩擦力或其他非弹性力做功使得多余的能量以热能形式耗散掉，一般是采用缓冲装置，将动能吸收转换为热能。但是该方式也存在很多局限性，比如，在缓冲装置的设计上会存在很多技术问题，如果速度太大可能导致转换能量装置解体或者撞碎。

技术实现要素：

为解决现有技术存在的问题，本发明提供一种在空间交会对接中实现能量转换的装置，在对接过程中使用该装置能够有效的消除两个航天器之间相对速度从而提高对接的成功率，尤其可以解决对空间非合作目标的对接问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术手段：

一种用于空间对接的陀螺式能量转换装置，包括转盘和绳索，所述的转盘设置在本体航天器上且能够绕轴旋转；绳索的终端与转盘的中轴线固定，将绳索缠绕在转盘上，并且每一圈的缠绕半径大小不一；通过旋转转盘释放绳索实现绳索、本体航天器先后与目标航天器对接。

所述的绳索在转盘上缠绕方式为由外到内缠绕半径依次减小。

所述的绳索压缩盘绕在转盘上。

所述的绳索采用可变长度的绳索缠绕在转盘上。

一种采用权利要求1所述的用于空间对接的陀螺式能量转换装置的对接方法，陀螺式能量转换装置能够用于两个相对速度较大的航天器之间的交会对接，对接方法包括以下步骤：

转盘先以一个较小的角速度起转，当其绕绳半径较大时，通过快速释放绳索，使转盘外沿的线速度与目标航天器的运动速度相等，此时绳索与目标航天器的相对线速度为零，在该相对速度下完成绳索与目标航天器的对接；

随着目标航天器的继续运动，转盘的旋转使绳索的缠绕半径变小，从而使目标航天器减速的同时，转盘的角动量不断增大；当本体航天器与目标航天器的相对速度减小到可容许范围内时，通过转盘的反向转动带动绳索的缓慢缠绕完成本体航天器与目标航天器的对接。

通过绳索的压缩盘绕或采用可变长度的绳索可以实现绳索盘绕等效半径大于转盘直径。

绳索与目标航天器的对接后，设目标航天器保持静止，则绳索的线速度计算公式为：

$v_r=\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}r=\frac{L_{z}r}{C+mr}$

其中，C为转盘的转动惯量，L_z是系统总动量矩，r为绕绳半径，为转盘的角速度，m为目标航天器的质量。

相对于现有技术，本发明的陀螺式能量转换装置具有以下有益效果：

本发明所提出的陀螺式能量转换装置由转盘和绳索组成，通过旋转转盘释放绳索实现绳索、本体航天器先后与目标航天器对接。可以实现两个相对速度较大的航天器之间的交会对接，尤其是对空间非合作目标的对接，该技术的发展将降低对于对接相对速度的要求，有利于快速在轨服务技术的发展。

本发明所提出的对接方法中，对接技术的核心，本体首先以一个较小的角速度起转，通过快速释放绳索，可以实现绳索部分与目标航天器的相对线速度为零，在该相对速度下完成绳索与目标航天器的对接。同样地随着目标航天器的继续运动，目标航天器减速的同时，转盘与目标航天器的相对速度减小到可容许范围内时，通过绳索的缓慢缠绕完成整个装置与目标航天器的对接。在于使用刚体的转动动能将这部分多余的能量存储起来，从而实现两物体在空间的相对速度从一个较大的值平稳过渡到足够小的值的过程。避免了由于两者间的相对速度较大，直接接触会由于冲击过大而损坏航天器的问题。该技术将实现空间飞行器之间动能的快速、高效传递，为未来空间飞行器的轨道控制方式开拓了一个新的研究方向。

进一步，通过绳索的压缩盘绕或采用可变长度的绳索可以实现与绕绳半径等效的作用。转盘的结构半径可以是一定的，而由绳索盘绕时的压缩率控制等效半径的变化。这在一定程度上解决了由绳索缠绕方式导致的制造工艺方面的困难。

【附图说明】

图1为陀螺式装置与目标航天器对接过程的示意图；

图2为陀螺式装置通过绳索缠绕和释放实现能量转换的基本原理示意图；

图3为绳索半径的设计示意图；

图4为陀螺式装置的转角与半径随时间变化曲线实例图；

图5为陀螺式装置的绳索设计实例图；

图6为绳索的压缩盘绕示意图。

其中，1为转盘，2为绳索，3为目标航天器。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

图1为陀螺式装置与目标航天器对接过程的示意图。在空间航天器进行交会对接的过程中，将带有陀螺装置的航天器视为本体，需要对接的航天器作为目标航天器3。该陀螺装置作为本体用于交会对接的主体部分，该装置由转盘1和绳索2组成，其中转盘1可以实现高速的旋转；绳索2可以缠绕在转盘1上，绳索的一个终端固定在转盘1上；转盘1和绳索2组成了陀螺式装置的主体；3为目标航天器。

从图1可以看出，转盘1以的角速度进行旋转，则对应绳索的线速度v_r。转盘1部分可以高速旋转，而绳索2的终端固定在转盘1部分的中轴线上，并且在旋转开始时，绳索2缠绕在转盘1上，并且每一圈的缠绕半径大小不一，对接过程中可以通过旋转释放绳索2与目标航天器3对接。该装置可以实现两个相对速度较大的航天器之间的交会对接。

图2为陀螺式装置通过绳索缠绕和释放实现能量转换的基本原理示意图。如图2所示，一个质量为M的陀螺式装置在准备与另一质量为m的目标航天器3对接。由于两者间的相对速度较大，直接接触会由于冲击过大而损坏航天器的结构。

故本体首先以一个较小的角速度起转，由于绳索2的外圈缠绕半径较大，通过快速释放绳索，可以实现绳索部分1与目标航天器3的相对线速度为零，在该相对速度下完成绳索2与目标航天器3的对接。当其绕绳半径r较大时，可满足转盘1外沿的线速度与目标航天器3的运动速度相等。此时绳索2的另一终端在较小的相对速度下捕获目标航天器3。

随着目标航天器的继续运动，转盘1的旋转使绳索2的缠绕半径变小，从而使目标航天器3减速的同时，转盘1的角动量不断增大。当该装置与目标航天器3的相对速度减小到可容许范围内时，通过绳索2的缓慢缠绕完成整个装置与目标航天器3的对接。当目标继续前进时，本体也继续旋转，然后通过减小绳索2的轴半径r来使目标航天器3减速，此过程中该装置的角动量越来越大。当两者的相对速度减到足够小时，再将目标航天器3慢慢收回与该装置对接即可。

这里分析M＞＞m的情况下的动力学方程。

目标航天器与该装置对接后对该装置的运动状态几乎没有影响，故设其始终保持静止。则整个系统关于本体的中心点的动量矩守恒

$C\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}+m\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}r=L_z$

其中C为转盘1的转动惯量，L_z是系统总动量矩，两者的值均为常数，由此可得

$v_r=\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}r=\frac{L_{z}r}{C+mr}$

通过减小r的方式，可以将相对速度降为零，且不需要改变该装置的结构，只需要提前确定绳索2在转盘上的缠绕方式即可，即r是关于ψ的函数。另外，转盘1的加速过程相比于减速过程拥有更大的稳定性，可使系统的稳定成本减小。

图3为绳索2半径的设计示意图。若提前确定了将要对接的目标航天器3的外形参数和绳索能承受的拉力大小，即可通过提前设计好系绳的盘绕形状来实现平稳的减速过程。因此，设绳索2受到的力为恒力，则目标航天器3与该装置接触后作匀减速运动，相对速度成线性变化。由前式可直接求得ψ(t)，然后利用角速度与半径的关系ωr＝v_r进一步求出r(t)。利用ψ与r的关系绘制极坐标曲线，即可得到使相对速度线性减小的理论绕绳方法。

下面通过一个实例说明系绳盘绕的设计方法。

设对接条件为：目标质量m＝1000kg，初始相对速度v_r0＝10m/s，绳索标称拉力F＝1000N。

由计算公式可以看出，自转角随时间变化曲线为二次曲线，绕绳半径随时间变化曲线为双曲线。图4为陀螺式装置的转角与半径随时间变化曲线，图5为陀螺式装置的绳索设计图样。本例使用的陀螺式装置转盘的直径最大为10m。计算可得，使用上图所示的绕绳方法，可使目标航天器3相对于该装置的相对速度在10s内从10m/s降至零，该装置的自转角速度从1rad/s增加至6rad/s。所需绳索长度(即减速过程中两者相对位移)为50m。

事实上，转盘1的结构半径并不需要如此之大来满足10m的绕绳半径的要求，通过绳索2的压缩盘绕或采用可变长度的绳索可以实现与10m绕绳半径等效的作用。

如图6所示，为绳索的压缩盘绕示意图，绳索在转盘绕绳轴上是压缩盘绕的，但离开转盘后在拉力作用下拉直，则在相对速度v_r作用下的等效半径r_eq＝v_r/ω，显然大于真实的结构半径。这意味着转盘的结构半径可以是一定的，而由绳索盘绕时的压缩率控制等效半径的变化。这在一定程度上解决了由绳索缠绕方式导致的制造工艺方面的困难。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。