一种卫星对接环锁紧与释放装置设计与分析_李永振

（5）顶板。 用于对接环与锁紧与释放装置平稳接触。 （6）板簧。 作为两卫星接触时的缓冲机构，减小两 卫星接触时的碰撞力。 （7）弧 形 导 轨 。 用 于 在 位 置 容 差 范 围 内 校 正 目 标 卫 星的位置，最终使目标卫星的轴线与服务卫星轴线对齐。 锁紧与释放装置通过上述各组件的协同工作保证 卫星捕获后，快速锁紧与释放分离动作的顺利完成，从 而对卫星修复工作的顺利进行奠定了基础。
图 7 释放过程中驱动机构旋转角度曲线
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图 8 释放过程中压紧板的位移曲线
弹 簧 力/N
4 结论
文中对接环锁紧与释放装置通过一个驱动系统实 现对 4 个压紧板的共同作用，能够实现对 GEO 卫星捕 获后的快速锁紧与释放功能， 且在碰撞时能够起到一 定的缓冲作用，避免损坏各机构，分离时对目标卫星起 到推力作用。
［5］ 张 慧 芳 ，邓 宗 全 ，吴 湘 ，等． 机 械 臂 锁 紧－释 放 机 构 解 锁 过 程运动分析［J］． 研究探讨，2006（7）：49－51．
［6］ 刘志全，曹鹏． 带有偏心轮的锁钩式结构锁运动性能和力 分析［J］． 中国空间科学技术，2004，10（5）：43－50．
［7］ 王翔，洪迪峰 ，虞磊 ，等． 对接过程中捕获锁质量和锁合面 间隙影响分析［J］． 航天器工程，2010，5（3）：33－39．
弹 簧 变 形/mm 弹 簧 力/N0来自14 000-2
弹簧变形 弹簧力
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图 3 锁紧过程中弹簧受力曲线和变形曲线
锁紧与释放装置通过齿轮齿条啮合，带动压紧组件 中的旋转销动作，使压紧板压紧目标卫星的对接环。 为 合理设计压紧板上的旋转销槽， 利用 ADAMS 仿真分析 得出弧形齿条旋转的角度曲线（如图 4）和压紧板的位移 曲线（如图 5），寻求两者之间的关系。 可以看出，弧形齿 条的最大旋转角度为 5．7°，压紧板的最大位移为 15 mm。 3．2 释放过程仿真分析
Abstract：Aiming at the disadvantages of without versatility and single structure of the satellite lock and release mechanism， a non-cooperative target satellite docking ring lock and release
关 键 词 ：卫 星 ；对 接 环 ；锁 紧 与 释 放 装 置 ；ADAMS 中图分类号：V476．3 文献标识码：A 文章编号：1001-2354（2014）09-0063-04
地 球 静 止 轨 道 （Geostationary Orbit，GEO） 卫 星 在 轨 发 生 故 障 或 失 效 后 将 造 成 空 间 资 源 的 巨 大 浪 费 ［1］， 应对其进行抓捕、辅助离轨或维修等操作，在轨捕获之 后应对 GEO 卫星进行锁紧定位以完成后期修复工作。 因此卫星锁紧与释放装置是影响对其能否进行正常修 复的极其重要的因素之一。
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图 6 释放过程中弹簧力及变形曲线
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通过对锁紧与释放装置的运动学仿真分析可以看 出，此锁紧与释放装置运动平稳可靠，锁紧力较大，为 我国卫星捕获技术的探索、发展提供了一种新思路。
参考文献
［1］ XuWenfu， Bin Liang， Bing Li， et al． A universal on-orbit servicing system used in the geostationary orbit［J］． Advances in Space Research， 2011，48：95－119．
2 锁紧与释放装置的工作原理
2．1 锁紧原理 当传感器探测到目标卫星已接近服务卫星上的
锁紧与释放装置时， 装在锁紧与释放装置底座上的 电机开始工作，齿轮和齿条相互啮合，此时，固定在 转盘上的柱销随着转盘一起旋转， 柱销位于压紧组 件上的曲线槽中， 带动压紧组件中的移动块做直线 运动。 当目标卫星的对接环接触锁紧与释放装置时， 波浪形板簧受压，此时目标卫星受到阻力，做减速运 动，缓和目标卫星和服务卫星的刚性撞击。 顶板将板 簧压下， 板簧 受压向下移 动 10 mm 后， 压紧组 件 动 作，将目标卫星的对接环压紧，从而完成对目标卫星 的锁紧过程。
现有卫星锁紧与释放装置的设计多采用反对称原 则， 每个锁紧与释放装置由一个主动锁钩和一个被动 锁 钩 组 成 ［2］，分 别 安 装 于 两 个 卫 星 上 ， 因 此 不 具 有 通 用 性，例如锁钩式结构锁。 另外，利用机械臂锁紧机构则 结构相对复杂，控制系统精度要求较高。国外对接环锁 紧装置有德 国 DLR 公司设计 的 OLEV 对接机构 中 的 星箭对接环锁紧装置，由 3 套独立的锁紧机构组成，沿 对接面圆周方向呈 120°等角距分布 。 ［3－4］ 而国内对对接 环锁紧与释放装置研究相对较少。
LI Yong-zhen1，YANG Zhen1，QU Pu1，HUANG Jian-bin2， WANG Guang3
（1．Mechanical and Electrical Engineering College，North University of China，Taiyuan 030051，China；2．China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China；3．Henglian Group， Weifang 261061，China）
2014 年 9 月
李永振，等：一种卫星对接环锁紧与释放装置设计与分析
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弹 簧 变 形/mm
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旋 转 角 度/ （° ）
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图 4 锁紧过程中驱动机构旋转角度曲线
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图 5 锁紧过程中压紧板的位移曲线
第 31 卷第 9 期 2200141 4年年9 月9 月
机械设计 JOURNAL OF MACHINE DESIGN
Vol.31 No.9 Sep. 2014
一种卫星对接环锁紧与释放装置设计与分析 *
李永振 1，杨臻 1，曲普 1，黄剑斌 2，王光 3
（1．中北大学 机电工程学院，山西 太原 030051；2．中国空间技术研究院，北京 100094；3．山东恒联投资有限公司，山东 潍坊 261061）
对接环
对接环
压紧组件锁 紧前的状态
压紧组件锁 紧后的状态
图 2 锁紧前后压紧组件的状态
2．2 释放原理 释放过程即是锁紧的逆过程， 对目标卫星维修、
维护等工作完成后，对目标卫星进行释放前，电机开 始反转，带动转盘旋转，从而使压紧组件上的移动块 径向向外运动，实现对对接环的解锁。 由于板簧受压 变形会复位，从而将目标卫星推出，完成对目标卫星 的释放过程。
* 收稿日期：2014-04-02；修订日期：2014-07-24 作者简介：李永振（1988—），男，山东德州人，硕士研究生，研究方向：机械系统设计及分析，已发表论文 2 篇。
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机械设计
第 31 卷第 9 期
（4）压 紧 组 件 。 包 括 压 紧 板 、压 紧 板 导 轨 和 旋 转 销 ， 用于压紧目标卫星的对接环， 完成对目标卫星的锁紧 和释放分离过程。
［8］ Grubin C．Docking dynamics for rigid-body spacecraft［J］． AIAA，1964，2（1）：26－47．
［9］ 刘俊秀，邓宗全，岳宏浩． 空间机械臂锁紧点布置方法的研 究［J］． 机械设计，2012，29（7）：85－89.
Design and analysis of a satellite docking ring lock and release mechanism
［2］ 吴义忠，刘志全 ，陈立平 ，等． 空间对接机构结构锁的优化 设计［J］． 空间科学学报，2000，20（4）：356－365．
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［4］ Bloom K A． The Appollo docking system［J］． Proc． 5th AMS USA，1970：46－74．
其各部分的功能如下： （1）安装支架。 作为各零部件安装定位的支撑；另 外，作为锁紧与释放装置和服务星的连接部件，3 个安 装支架成 120°均匀分布，当目标卫星向服务卫星拉回 时，为目标卫星的发动机喷管留出空位 。 ［8－9］ （2）定 位 圆 盘 组 件 。 包 括 上 、下 圆 盘 ，作 为 各 零 部 件 的定位基础。上圆盘套入下圆盘内，然后通过铆钉将两 者固定在一起，分别用于其他零部件的安装定位。 （3）驱 动 组 件 。 包 括 齿 轮 、弧 形 齿 条 和 电 机 ，为 压 紧 组件中的旋转销作旋转运动提供动力。