周边式对接机构的航天器首次接触撞击点的确定

对周边式对接机构的航天器进行了研究，在对接捕获过程中首次接触撞击点的确定问题。文中建立了三类可能接触区域的空间解析描述关系式，根据空间“点”投影的不变性原理，给出了确定可能接触点的数学方程，使原问题由三维空间问题简化为二维平面问题，其难度和复杂性都大大简化。最后，文中还给出了多组算例。

周边式对接机构航天器的对接动力学仿真(第2部分)──约束动力学

建立了两个航天器对接系统的约束动力学方程。在论文第一部分所建立的运动学约束方程的基础上，提出运用D'Alembert正交补方法消除系统动力学方程中的未知接触约束力，解决了约束方程的维数是不确定变化条件的系统动力学方程的数值求解问题。而且还开发出周边式对接机构航天器的对接动力学分析与仿真通用软件。最后，通过算例验正了理论方法及软件的有效性。

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。

周边式对接机构航天器的对接动力学仿真(第1部分)──运动学约束方程

研究了两个带有周边式对接机构的航天器，在对接捕获的过程中，对接机构之间相互接触后，产生接触滑移时对接系统的运动学特性。根据对接机构的空间特点，引入矢量代数的概念，建立了对接机构之间接触滑移的运动约束方程，及其接触点在对接机构上的相对滑移速度方程。

周边式对接机构非设计接触模式的确定

接触点判断是飞行器对接动力学仿真的关键问题之一。当两飞行器初始位置、姿态、速度以及角速度偏差较大时,空间对接机构将可能发生导致对接失败的非设计模式首次接触,文中首次对此提出3类接触模式:导向瓣边缘与顶部圆弧接触,顶部圆弧与顶部圆弧接触,顶部圆弧与底部圆环接触。并根据Z-缓冲算法原理给出了非设计接触模式的判断准则以及数学表达式。针对顶部圆弧对应圆心角较小的特点,采用两条线段来逼近顶部圆弧使后2类接触判断得到简化。最后编制了仿真程序,给出了多组算例,算例结果验证了算法的有效性和正确性。

周边式对接机构的运动学问题

根据周边式对接机构的构型特点,给出了其详细的几何关系描述,以及对接初始条件与捕获环几何尺寸的约束关系,并通过引入适当的坐标系,最后建立了捕获环运动与丝杠运动关系的数学模型。

性能优异的异体同构周边式对接机构

异体同构是指追踪飞行器和目标飞行器上对接机构的构造是一致的("杆-锥"式对接机构是不一致的),没有主动与被动之分。周边式是指机构不设置在中间,而是设置在周边("杆-锥"式是设置在中间)。异体同构周边式对接机构的优点在于对接后通道畅通,因对接连接环直径较大,承载能力大,适宜大质量航天器间对接;其缺点是结构比较复杂,质量较大。对接时,追踪飞行器上的对接机构伸出,安装在周边的3个板状导向器完成导向作用,使两个对接机构准确地接触,其上的锁被锁定,对接机构回缩,对接面拉紧并锁定,完成对接。异体同构周边式对接机构大体上有两类:导向器外翻和导向器内翻。导向器外翻的异体同构周边式对接机构只在1975年美国阿波罗-18飞船与苏联联盟-19飞船空间对接飞行时使用过,以后再也没有使用。目前使用的异体同构周边式对接机构都是导向器内翻式。

周边式对接机构碰撞点快速求解的一种方法

针对周边式对接机构在对接过程中碰撞点位置的计算问题,提出一种碰撞点快速求解的方法。该方法简化了不同类型碰撞判定的数学条件,根据碰撞边缘对应的空间向量给出碰撞表达式,并引入最小碰撞距离和弦截法求解轴向碰撞位置。该方法具有分析结果直观、计算效率高、求解误差小等优点。根据NASA周边式对接机构的结构参数和对接条件,进行碰撞点的计算分析,并利用软件进行仿真验证。分析结果表明,20mm求解精度的计算时间减少了85%,10mm精度的计算时间减少了97%,5mm精度的计算时间减少了98%。该方法适用于任意参数的周边式对接机构对接过程中的碰撞点求解。

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。

“杆-锥”式对接机构掠影

目前,在载人航天器上使用的对接机构主要有两种类型:"杆-锥"式对接机构和异体同构周边式对接机构。其中,"杆-锥"式对接机构由"杆"组件和"锥"组件两部分构成,有主动和被动之分,"杆"组件是主动部分,安装在追踪飞行器上;"锥"组件是被动部分,安装在目标飞行器上。当"杆"进入到"锥"内时,锥面将杆端导入锥顶,锥顶内的锁将杆端锁定,可伸缩的"杆"逐渐缩短,将两个航天器拉紧,对接面上的锁将两个对接面锁定,完成对接。"杆-锥"式对接机构的优点是结构简单,质量较轻。其缺点是对接后占据较大内部空间,其承载能力也比较低。俄罗斯"联盟"系列载人飞船、"进步"货运飞船及太空站舱段均采用"杆-锥"式对接机构。

航天器对接动力学分析

本文建立了带有周边式对接机构的航天器对接系统的约束动力学方程，根据对接机构的空间特点，运用矢量代数的概念，给出了对接机构之间接触滑移的运动约束方程，最后，提出了运用矩阵正交补原理消除系统动力学方程中的未知约束力，解决了系统约束方程的维数是不确定变化的系统动力学方程的数值求解问题。

时变不确定约束的航天器对接动力学分析第一部分运动学约束方程

研究了两个带有周边式对接机构的航天器在对接捕获过程中,对接机构相互接触后和产生接触滑移时对接系统的运动学特性.根据对接机构的空间特点,以矢量代数为描述工具,建立了对接机构之间接触滑移的运动约束方程,及其接触点在对接机构上的相对滑移速度方程.