面向空间非合作目标的簇形刚—柔自适应捕获机构的研究

作     者：王励斌 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：顾义坤

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 082501[工学-飞行器设计] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：空间非合作目标 自适应捕获 捕获性能 结构建模 

摘      要：空间非合作目标广泛存在于在轨服务和碎片清理等项目中。近年来,由于轨道资源臻于饱和,经济效益亟待提高,人们愈发重视对这类项目的研发和应用。然而,由于空间非合作目标自身形状姿态各异,对精确稳定捕获的实施带来巨大困难,因此具备形状自适应能力的捕获机构显得更加不可或缺。本文基于太空环境和抓捕对象对机构的实际需求,研制了一种“刚柔并济、具有形状自适应能力的空间捕获机构,并对此进行了结构优化、建模分析和模拟试验。首先,面向空间非合作目标在适应性、稳定性、柔顺性等方面的捕获需求,研制了一种簇形刚—柔自适应捕获机构。捕获机构包括接触捕获、压紧刚化和复位限位三个模块,由多根伸缩杆组成的簇形结构可以自适应多种物体表面,实现多种形状、尺寸的空间非合作目标的柔顺捕获。其次,建立了捕获机构的动力学模型、捕获状态模型以及捕获机构性能评价体系。通过动力学模型的构建,确定了整机的模态特性以及机构在抓捕过程中靠近、适应和刚化阶段下的动力学响应。通过捕获状态模型的构建,推导出稳定捕获条件及捕获稳定裕度的计算公式。在上述模型的基础上,提出了捕获机构性能指标评价体系,用以评估本文研制的自适应捕获机构的综合性能。然后,从空间非合作目标的形状特征及位姿特征出发,进行捕获分析。通过对物体形状抽象出的拉梅函数曲线进行接触判断和稳定性裕度的计算,推导了机构在捕获不同形状空间物体时的容差范围和静态刚度。对于具有自旋和章动运动的空间非合作目标,通过理论分析将其简化为四种典型锥体的抓捕形式,并对抓捕过程进行了仿真。此外,为了分析捕获机构在捕获过程中与目标物体的接触力,进行了主被动复合柔顺捕获仿真。上述分析及仿真结果表明,本文研制的簇形刚柔捕获机构具有良好的形状适应能力、位姿容错能力、抗干扰能力以及接触碰撞柔顺能力。最后,对捕获机构进行了仿真与试验研究。为了验证机构的基本功能,进行了簇杆间力传递效果试验、机构动作原理与流程验证试验、机构刚化可靠性试验。为了验证机构的捕获性能,进行了模拟空间碎片的捕获试验、捕获刚度试验以及卫星喷管的抓捕仿真。试验结果表明,本文研制的簇形刚柔自适应空间捕获机构能够成功捕获各种形状的空间碎片以及失效卫星,进一步验证了捕获机构具有良好的抓捕稳定性、形状适应性以及捕获柔顺性。