一种用于卫星对接的缓冲消旋阻尼装置的制作方法

本发明涉及一种用于卫星对接的缓冲消旋阻尼装置，属于航天器在轨维修维护技术领域。

背景技术：

GEO卫星通常具有大规模、多功能、长寿命、高成本等特点，如果在轨发生故障导致无法正常完成任务将对国家政治、经济等各方面造成严重影响。发展针对GEO卫星的救援服务能力，以相对低的代价，快速使故障卫星载荷任务能力得以延续，或辅助废弃卫星离轨释放重要轨道资源，可取得十分重要的经济效益和社会效益。

针对控制与推进系统故障、燃料耗尽而终止寿命的卫星，可采用接管控制和辅助定位的轨道救援。目前我国许多在轨的卫星已经在轨超期服役，这些在轨寿命末期卫星对通信仍然发挥着重要的作用，开展接管控制的轨道救援可以较低的成本和较短的时间延长卫星在轨工作寿命。卫星推进剂耗尽或故障无法自行离轨而废弃，有时也会因为姿态失控造成解体，形成了大型轨道碎片，对正常工作卫星的安全构成威胁。

由于目前在轨和在研的GEO卫星并未针对接受在轨服务设计，对GEO故障卫星实施救援服务，核心是完成对GEO目标的抓捕对接操作。目前，典型的研究方案包括美国FREND机械臂+可更换末端执行器方案、德国DEOS和欧洲SMART-OLEV锥杆式抓捕机构方案。其中的锥杆式抓捕机构主要针对GEO卫星通用的远地点发动机进行抓捕，该机构由伸缩机构和锥杆机构串联组成，伸缩机构实现锥杆机构的轴向伸缩运动，锥杆机构由冠状扩展锁紧机构、末梢到位传感器和组合式激光传感器组成。遗憾的是，该机构仅考虑在服务飞行器与目标卫星相对静止状态下的抓捕操作，未考虑利用服务飞行器在相对停靠过程的残余速度进行抓捕，对服务飞行器自身的姿轨控要求较高，且未考虑使用阻尼机构纠正姿态误差影响。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题：为克服现有技术的不足，提供一种用于卫星对接的缓冲消旋阻尼装置，以降低服务卫星与目标卫星碰撞过程的相对运动速度，减小瓣式缓冲结构与目标卫星发动机喷嘴内壁相对角速度。

本发明的技术解决方案是：

一种用于卫星对接的缓冲消旋阻尼装置，包括瓣式缓冲结构和消旋阻尼结构,

瓣式缓冲结构包括缓冲本体、线性弹簧阻尼器、瓣式结构、以及到位传感器，

缓冲本体为盘式结构，其连接在外界抓捕杆支架上，在缓冲本体的中心处设置有中心圆筒，线性弹簧阻尼器的两端分别与设置在瓣式结构内壁及中心圆筒上的球铰安装座连接；

瓣式缓冲结构与目标卫星发动机喷嘴内壁接触时，瓣式结构可以根据受力方向调整与发动机喷嘴内壁缓冲接触；

到位传感器安装在中心圆筒的顶部靠近相应的瓣式结构的位置处，以判断对应的瓣式结构与目标卫星发动机喷嘴内壁是否接触；

消旋阻尼结构包括消旋本体、转动传动圆盘、旋转电机,

所述消旋本体套装在外界抓捕杆支架上，消旋主体一端与缓冲本体固联，另一端与转动传动圆盘固联；转动传动圆盘及旋转电机均套装在外界抓捕杆支架上，旋转电机带动转动传动圆盘旋转，进而带动瓣式缓冲结构和消旋阻尼结构一起旋转。

与每个瓣式结构连接的线性弹簧阻尼器至少一个。

瓣式结构至少为三个，多个瓣式结构组合后整体外形呈锥形，该锥形的弧度大于目标卫星发动机喷嘴内壁的弧度，确保在对接过程中，多个瓣式结构中的一个或两个瓣式结构能够先接触待目标卫星发动机喷嘴内壁。

到位传感器的数量与瓣式结构的数量一致。

消旋阻尼结构还包括光电到位传感器，光电到位传感器安装于旋转电机零位侧方，以确认旋转电机所转圈数。

每个瓣式结构连接三个线性弹簧阻尼器。

三个线性弹簧阻尼器呈三角形分布。

到位传感器为微动开关。

光电到位传感器为槽式光电传感器。

每个到位传感器与控制系统连接，当瓣式结构与目标卫星发动机喷嘴内壁接触的过程中，相应的到位传感器给控制系统发出相应的信号。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

(1)本发明中的缓冲消旋阻尼装置可适应弱撞击条件下的卫星抓捕，能够为抓捕机构提供较大的相对速度与角速度容差；在装置中设置了一段瓣式缓冲结构与目标卫星发动机喷嘴内壁碰撞缓冲，降低碰撞过程的相对运动速度，并设置了带动瓣式缓冲结构旋转的消旋阻尼结构，以减小瓣式缓冲结构与目标卫星发动机喷嘴内壁相对角速度；

(2)本发明中的缓冲消旋阻尼装置设计为瓣式缓冲结构，并将该结构设计为锥形，一方面使目标卫星发动机喷嘴内壁与缓冲消旋阻尼装置碰撞瞬间的接触质量小，冲量更快速被缓冲消旋阻尼机构吸收；另一方面与发动机喷嘴内壁较为贴合，能够有效降低相对旋转对缓冲消旋阻尼装置的影响，提高缓冲消旋阻尼装置的消旋效率。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明结构剖面图；

图3为本发明瓣式缓冲结构整体示意图；

图4为本发瓣式缓冲结构剖面图；

图5为本发明消旋阻尼结构剖面图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细地描述。

服务卫星在接近目标卫星过程中，首先计算目标卫星相对位姿，控制服务卫星本体姿态，使其绕目标卫星逐渐接近，并使救援机构对准发动机喷嘴轴心。这个过程中目标卫星沿X轴旋转通常被忽略，因此在救援机构进入发动机喷嘴时，除了轴向的摩擦，还包括旋转方向的摩擦。受到空间中失重的影响，摩擦造成的两星姿态变化变得不可预知，而造成救援机构甚至整星遭到破坏，所以需要设计一种旋转阻尼装置，增加一段瓣式缓冲结构与目标卫星发动机喷嘴内壁碰撞缓冲，降低碰撞过程的相对运动速度，并增加带动瓣式缓冲结构旋转的消旋阻尼结构，减小瓣式缓冲结构与目标卫星发动机喷嘴内壁相对角速度。

本发明旨在充分利用锥杆机设计了弱撞击下锥杆机构在远地点发动机内的导向和主动消旋阻尼装置，以提高传统锥杆机构抓捕对接的相对速度容差。

本发明中，为了实现对空间目标卫星远地点发动机的弱撞击抓捕对接，提供了安装在服务卫星抓捕机构前端的瓣式缓冲结构(图1中的A)。在服务卫星与目标卫星的残余速度作用下，空间锥杆机构前端的瓣式缓冲结构A进入目标卫星的远地点发动机内部。本发明的导向与主动消旋阻尼装置在空间锥杆机构上的安装位置如图1所示，其安装在空间锥杆机构的前端，用于吸收锥杆机构与目标卫星之间的撞击能量，并能平滑的导向进入远地点发动机喉管内部。

具体结构如图1所示，包括瓣式缓冲结构A和消旋阻尼结构B,

其中瓣式缓冲结构A如图2、图3所示，包括缓冲本体1、线性弹簧阻尼器2、瓣式结构4、以及到位传感器5，

缓冲本体1为盘式结构，其连接在外界抓捕杆支架上，在缓冲本体1的中心处设置有中心圆筒8，如图4所示，线性弹簧阻尼器2的两端分别与设置在瓣式结构4内壁及中心圆筒8上的球铰安装座连接；

瓣式缓冲结构A与目标卫星发动机喷嘴内壁接触时，瓣式结构4可以根据受力方向调整与发动机喷嘴内壁缓冲接触；

到位传感器5安装在中心圆筒8的顶部靠近相应的瓣式结构4的位置处，以判断对应的瓣式结构4与目标卫星发动机喷嘴内壁是否接触；

消旋阻尼结构B如图5所示，包括消旋本体10、转动传动圆盘11、旋转电机12,

所述消旋本体10套装在外界抓捕杆支架上，消旋主体10一端与缓冲本体1固联，另一端与转动传动圆盘11固联；转动传动圆盘11及旋转电机12均套装在外界抓捕杆支架上，旋转电机12带动转动传动圆盘11旋转，进而带动瓣式缓冲结构A和消旋阻尼结构B一起旋转。

本发明中，为了实现对空间目标抓捕过程中弱撞击，提供了安装在多瓣式导向阻尼装置后方的主动消旋阻尼机构(图1中的B)。在服务飞行器与目标卫星对接过程中，多瓣式导向阻尼装置首先接触目标卫星远地点发动机喷嘴内壁，在两星残余速度作用下，抓捕机构沿发动机喷嘴内壁滑入，主动消旋阻尼机构能够带动多瓣式导向阻尼装置一起旋转，减少与发动机喷嘴内壁之间的摩擦，使抓捕过程更加平稳。

如图3所示，每个瓣式结构4通过相应的阻尼组件安装在缓冲本体1上。为了实现导向阻尼的目的，一方面，多个瓣式结构组合后的整体在外形上呈锥形，该锥形的弧度应略大于待对接目标卫星发动机喷嘴内壁的弧度，以便于在对接过程中，多个瓣式结构4中的一个或两个瓣形结构能够先接触待对接的目标卫星发动机喷嘴内壁。本发明中，每个瓣式结构的具体形状根据待对接的目标卫星发动机喷嘴内壁的形状而定。

此外，每个瓣式结构4通过一组阻尼组件连接至缓冲本体1的外壁，并且每组阻尼组件包括至少一个线性弹簧阻尼器2、以及安装在每个线性弹簧阻尼器2两端的球铰3。在如图3所述的优选实施例中，瓣式结构4的数量为三个，每组阻尼组件包括三个线性弹簧阻尼器2，并且三个线性弹簧阻尼器2呈三角形分布。

缓冲本体1套装在空间锥杆机构的抓捕杆支架上、并固定至空间锥杆机构的外壳。多个到位传感器5的数量与多个瓣式结构4的数量一致，每个到位传感器5安装在抓捕杆支架的顶部靠近相应的瓣式结构4的位置处，并且每个到位传感器5与设置在空间锥杆机构内部的控制系统连接。当瓣式结构4在待对接的锥形结构接触的过程中，相应的到位传感器5给控制系统发出相应的信号。此外，每个瓣式结构4的内壁设置有第二球铰安装座6。对应的，在中心圆筒8的外壁上安装了第一球铰安装座9。

优选地，消旋本体10外表面为锥形，与目标卫星远地点发动机喷嘴内壁形状接近，能够保证两星接触过程中服务卫星姿态变化不大，其防止姿态大幅偏转造成的两卫星本体干涉与损坏。

优选地，瓣式缓冲结构A与消旋阻尼机构B利用消旋本体10固联，使得瓣式缓冲结构A能够同时进行消旋和减速，使抓捕过程更加平滑。

优选地，瓣式缓冲结构A与消旋阻尼机构B采用流线型设计，瓣式缓冲结构A弧度较大，能够保证装置与喷嘴内壁接触平稳。

本发明中的缓冲消旋阻尼装置设计为瓣式缓冲结构，并将该结构设计为锥形，一方面使目标卫星发动机喷嘴内壁与缓冲消旋阻尼装置碰撞瞬间的接触质量小，冲量更快速被缓冲消旋阻尼机构吸收；另一方面与发动机喷嘴内壁较为贴合，能够有效降低相对旋转对缓冲消旋阻尼装置的影响，提高缓冲消旋阻尼装置的消旋效率。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非用来限制本发明的保护范围。对于本领域的技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，可以对本发明做出若干的修改和替换，所有这些修改和替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。