一种灵巧式在轨电液导通对接装置及方法与流程

1.本发明涉及一种灵巧式在轨电液导通式对接机构及对接装置及方法，特别涉及小尺寸、轻量化在轨可靠对接机构。


背景技术：

2.近年来航天技术飞速发展，人类探索开发太空的需求不断增长，在轨电液导通补加技术是保障我国高轨高价值卫星在轨能力增强的重要技术手段，需求较为迫切。我国持续推进在轨电液导通补加技术攻关验证，初步具备在在轨电液导通补加体系的构建能力，已有若干型在轨和在研飞行器设计了补加和被补加功能，亟需将补加装置进行通用化、轻量化。
3.在轨电液导通装置可在外部机械臂或机构辅助下，完成接口对接、锁定和保持，实现推进剂的补加。一方面需要将对接接口通用化、标准化，另一方面需要具备更高的集成度，相比目前在轨电液导通补加装置质量更轻、尺寸更小。但现有产品均为特定情况下的电液导通补加技术，无法满足未来多型号、多装置的通用化在轨电液导通要求。
4.灵巧式在轨电液导通对接方法可在空间机械臂的辅助作用下完成两飞行器间的在轨机械连接的同时，实现上述飞行器间的电路、通信及液路的导通，进而实现两星之间的在轨重构、信息联通、电能补充、燃料补加。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于：克服现有技术的不足，提供一种灵巧式在轨电液导通对接装置及方法，在较小尺寸包络及较小重量代价的前提下，实现两飞行器间可靠的机、电、液连接。
6.本发明的技术方案是：一种灵巧式在轨电液导通式对接装置，包括主动端和被动端；被动端为无源空腔结构，主动端与被动端具备通用接口，作为载荷模块与飞行器之间的可重复连接接口，支持飞行器在轨功能重构；在机械臂提供初始对接条件后，按照粗校正-精校正-断接器插合并形成组合体的流程完成捕获连接；分离时则按照其逆过程，即机构解锁、断开断接器、组合体分离的顺序实现分离，后续由机械臂转移，使得主动端和被动端分离。
7.所述主动端包括捕获头组件、定位分离组件、驱动测量组件；捕获头组件为电液导通对接装置核心组件，捕获头组件与驱动测量组件相连，通过驱动控制使捕获头组件保持轴向运动；捕获头组件与定位分离组件相连，用于实现主动端与被动端连接过程中校正锁紧功能。
8.所述捕获头组件用于实现主动端对被动端的捕获，采用周边均布三套杆机构的伞式捕获方式，实现主动端与被动端锁紧时杆机构张开，解锁时的杆机构收拢；同时通过定位分离组件实现主动端对被动端的粗校正和精校正，最后利用驱动测量组件的结构接触限位，实现主被动端之间的刚性连接和保持。
9.所述定位分离组件包括：浮动平台框架、退让弹簧、分离弹簧、定位孔；浮动平台框架位于主动端基座中心，通过分离弹簧浮动于主动端基座上；退让弹簧位于定位孔内；定位分离组件利用轴孔配合实现主动端基座和被动端基座的轴向导向，定位分离组件周边三处均布，实现主动端基座和被动端基座的周向导向。
10.所述捕获头组件包括：丝杠、杆机构、导向筒、捕获头底座和丝杠底座。捕获头组件穿过主动端基座中心，捕获头底座固定在导向筒上，丝杠位于捕获头组件中心，能够沿轴向滑动，丝杠在轴向滑动过程中连杆机构呈伞式张开。
11.所述驱动测量组件包括：电机、减速箱壳体、传感器和齿轮减速器；驱动测量组件固定于主动端基座底部，电机固定减速箱壳体上，齿轮减速器位于减速箱壳体内。
12.所述主动端包括主动端基座、导向筒、杆机构、丝杠、捕获头底座、浮动平台框架、定位孔、分离弹簧、退让弹簧、电连接器主动端、液路连接器主动端、丝杠底座、减速箱壳体、电机、齿轮减速器、液路软管；被动端包括被动端基座、框架定位销、挡盖、电连接器被动端、液路连接器被动端、靶标。
13.捕获头组件采用周边均布三套杆机构的方案，丝杠与捕获头底座靠近运动时杆机构张开，远离运动时杆机构收拢；杆机构收拢时，可伸入被动端基座捕获内腔，以适应初始位置偏差，为主、被动端靠近及撤离提供安全通道；杆机构张开时，可与被动端基座捕获内腔相配合，实现捕获和粗校正；之后丝杠继续拉回，通过杆机构末端与被动端基座压紧面的配合，拉近主被动端之间的轴向距离，并在这一过程中利用被动端框架定位销与主动端定位孔的配合，实现被动端与主动端浮动平台之间的精校正；之后丝杠继续拉回，完成电连接器主动端和电连接器被动端的插合，以及液路连接器主动端和液路连接器被动端；之后捕获锁紧机构继续运动，实现主被动端之间锁紧力的施加，并利用结构接触限位，实现主被动端之间的刚性连接和保持。
14.定位分离组件利用三处分离弹簧与主动端基座相连，并提供预紧力；主动端三处定位孔与被动端上的三处框架定位销配合、浮动平台对接面与被动端对接面配合，共同实现浮动断接器插合所需的精校正；框架定位销插入定位孔过程中，框架定位销压缩退让弹簧；精校正完成后，浮动平台和被动端在捕获头组件作用下继续向下运动，并压缩分离弹簧；分离过程中，分离弹簧推动浮动平台和被动端远离主动端基座，实现各电路、液路的断开。
15.一种利用上述对接装置进行灵巧式在轨电液导通对接的方法，包括：
16.任务开始前，驱动捕获头组件推出并收拢杆机构，等待被动端到达初始条件范围；驱动丝杠拉回，捕获头组件杆机构张开，与被动端捕获内腔配合，完成捕获及粗校正，实现主动端对被动端的捕获和粗校正；丝杠继续拉回，通过连杆机构末端与被动端压紧面的配合，同时利用框架定位销与定位孔的配合，实现被动端与主动端浮动平台之间的精校正；丝杠继续拉回，完成各浮动断接器的插合；最后通过传动链中的弹性环节实现主被动端之间锁紧力的施加，并利用结构接触限位，实现主被动端之间的刚性连接和保持；
17.组合体分离时，驱动测量组件驱动丝杠推出，利用浮动平台框架和主动端基座间的分离弹簧推出浮动平台框架和被动端，断开各电路、液路连接；之后捕获头继续运动，利用退让弹簧保证浮动平台框架和被动端的分离；之后丝杠继续运动，收拢杆机构，解除主动端对被动端的捕获，为主被动端撤离提供安全通道；主被动端安全撤离后，驱动丝杠拉回，
恢复初始状态，准备下一次对接；如机构分离时出现导向卡滞等现象，导致正常释放分离过程无法实现，则可通过推动捕获装置至被动端底部的方式，强行将被动端推出，实现组合体应急分离。
18.本发明相对于现有技术带来的有益效果为：
19.(1)本发明提供一种灵巧式在轨电液导通式对接方法，由伞式捕获爪实现机构的中心捕获、锁紧，由电路浮动断接器、液路浮动断接器实现主被动端间的电路及液路导通。可在较小尺寸包络及较小重量代价的前提下，实现两飞行器间可靠的机、电、液连接。
20.(2)被动端为无源空腔结构，对接过程中的动作均由主动端完成，通过定位销和定位孔的配合，实现主动端和被动端的配合对接和精校正连接。被动端以结构件的形式参与整个连接、保持与分离过程，使被动端做到极轻、极简、极可靠。
21.(3)本发明提供了一种灵巧式在轨电液导通式对接方法，主动端和被动端采用中心捕获校正、周边接口连接锁紧的一体化方案，灵巧式在轨电液导通对接装置采用捕获、校正、连接、锁紧一体化结构，提高功能集成度。
22.(4)本发明提供的灵巧式在轨电液导通式对接方法对机械臂操作能力的依赖性小，对机械臂工作协同性要求低，捕获过程扰动少，捕获可靠性高，可实现低冲击、柔性捕获。
附图说明
23.图1为本发明实施例提供的一种灵巧式在轨电液导通式对接方法主动端初始状态示意图；
24.图2为本发明实施例提供的一种灵巧式在轨电液导通式对接方法主动端锁紧状态示意图；
25.图3为本发明实施例提供的一种灵巧式在轨电液导通式对接方法被动端示意图；
具体实施方式
26.以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种灵巧式在轨电液导通对接方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
27.本发明的核心思想在于，本发明提供的一种灵巧式在轨电液导通对接方法，可在较小尺寸包络及较小重量代价的前提下，实现两飞行器间可靠的机、电、液连接，同时本发明方法可减小对机械臂的依赖。产品以连接分离功能为主线，在该功能实现期间，同步完成液路与电路连接和分离功能。可通过单驱动完成所有动作。连接过程如下：在机械臂提供初始对接条件后，按照粗校正-精校正-断接器插合并形成组合体的流程完成捕获连接；分离时则按照其逆过程，即机构解锁、断开断接器、组合体分离的顺序实现分离，后续由机械臂转移，使得主动端和被动端分离。
28.本发明提供一种灵巧式在轨电液导通对接方法，主动端包括主动端基座1、导向筒2、杆机构3、丝杠5、捕获头底座7、浮动平台框架8、定位孔9、分离弹簧10、退让弹簧11、电连接器主动端12、液路连接器主动端13、丝杠底座15、减速箱壳体16、电机18、齿轮减速器19、
液路软管20。被动端包括被动端基座21、框架定位销22、电连接器被动端23、液路连接器被动端24、靶标25组成。
29.捕获头组件采用周边均布三套杆机构3的方案，丝杠5与捕获头底座7靠近运动时杆机构3张开，远离运动时杆机构3收拢。杆机构3收拢时，可伸入被动端基座21捕获内腔，以适应初始位置偏差，为主、被动端靠近及撤离提供安全通道。杆机构3张开时，可与被动端基座21捕获内腔相配合，实现捕获和粗校正。之后丝杠5继续拉回，通过杆机构3末端与被动端基座21压紧面的配合，拉近主被动端之间的轴向距离，并在这一过程中利用被动端框架定位销22与主动端定位孔9的配合，实现被动端与主动端浮动平台之间的精校正；之后丝杠5继续拉回，完成电连接器主动端12和电连接器被动端23的插合，以及液路连接器主动端13和液路连接器被动端24；之后捕获锁紧机构继续运动，实现主被动端之间锁紧力的施加，并利用结构接触限位，实现主被动端之间的刚性连接和保持。
30.定位分离组件利用三处分离弹簧10与主动端基座1相连，并提供预紧力。主动端三处定位孔9与被动端上的三处框架定位销22配合、浮动平台对接面与被动端对接面配合，共同实现浮动断接器插合所需的精校正；框架定位销22插入定位孔9过程中，框架定位销22压缩退让弹簧；精校正完成后，浮动平台和被动端在捕获头组件作用下继续向下运动，并压缩分离弹簧10；分离过程中，分离弹簧10推动浮动平台和被动端远离主动端基座1，实现各电路、液路的断开。
31.驱动测量组件通过电机18与丝杠5组合使用实现对灵巧补加机构各项运动的驱动。利用传感器进行丝杠位置控制，可实现对灵巧补加机构位置的全流程监测功能。
32.任务开始前，驱动捕获头组件推出并收拢杆机构3，等待被动端到达初始条件范围；驱动丝杠5拉回，捕获头组件杆机构3张开，与被动端捕获内腔配合，完成捕获及粗校正，实现主动端对被动端的捕获和粗校正；丝杠5继续拉回，通过连杆机构末端与被动端压紧面的配合，同时利用框架定位销22与定位孔9的配合，实现被动端与主动端浮动平台之间的精校正；丝杠5继续拉回，完成各浮动断接器的插合；最后通过传动链中的弹性环节实现主被动端之间锁紧力的施加，并利用结构接触限位，实现主被动端之间的刚性连接和保持。
33.组合体分离时，驱动测量组件驱动丝杠5推出，利用浮动平台框架8和主动端基座1间的分离弹簧10推出浮动平台框架8和被动端，断开各电路、液路连接；之后捕获头继续运动，利用退让弹簧11保证浮动平台框架8和被动端的分离；之后丝杠5继续运动，收拢杆机构3，解除主动端对被动端的捕获，为主被动端撤离提供安全通道；主被动端安全撤离后，驱动丝杠5拉回，恢复初始状态，准备下一次对接。如机构分离时出现导向卡滞等现象，导致正常释放分离过程无法实现，则可通过推动捕获装置至被动端底部的方式，强行将被动端推出，实现组合体应急分离。
34.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

技术特征：
1.一种灵巧式在轨电液导通式对接装置，其特征在于，包括主动端和被动端；被动端为无源空腔结构，主动端与被动端具备通用接口，作为载荷模块与飞行器之间的可重复连接接口，支持飞行器在轨功能重构；在机械臂提供初始对接条件后，按照粗校正-精校正-断接器插合并形成组合体的流程完成捕获连接；分离时则按照其逆过程，即机构解锁、断开断接器、组合体分离的顺序实现分离，后续由机械臂转移，使得主动端和被动端分离。2.根据权利要求1所述的一种灵巧式在轨电液导通对接装置，其特征在于，所述主动端包括捕获头组件、定位分离组件、驱动测量组件；捕获头组件为电液导通对接装置核心组件，捕获头组件与驱动测量组件相连，通过驱动控制使捕获头组件保持轴向运动；捕获头组件与定位分离组件相连，用于实现主动端与被动端连接过程中校正锁紧功能。3.根据权利要求2所述的一种灵巧式在轨电液导通对接装置，其特征在于，所述捕获头组件用于实现主动端对被动端的捕获，采用周边均布三套杆机构的伞式捕获方式，实现主动端与被动端锁紧时杆机构张开，解锁时的杆机构收拢；同时通过定位分离组件实现主动端对被动端的粗校正和精校正，最后利用驱动测量组件的结构接触限位，实现主被动端之间的刚性连接和保持。4.根据权利要求3所述的一种灵巧式在轨电液导通对接装置，其特征在于，所述定位分离组件包括：浮动平台框架、退让弹簧、分离弹簧、定位孔；浮动平台框架位于主动端基座中心，通过分离弹簧浮动于主动端基座上；退让弹簧位于定位孔内；定位分离组件利用轴孔配合实现主动端基座和被动端基座的轴向导向，定位分离组件周边三处均布，实现主动端基座和被动端基座的周向导向。5.根据权利要求4所述的一种灵巧式在轨电液导通对接装置，其特征在于，所述捕获头组件包括：丝杠、杆机构、导向筒、捕获头底座和丝杠底座。捕获头组件穿过主动端基座中心，捕获头底座固定在导向筒上，丝杠位于捕获头组件中心，能够沿轴向滑动，丝杠在轴向滑动过程中连杆机构呈伞式张开。6.根据权利要求5所述的一种灵巧式在轨电液导通对接装置，其特征在于，所述驱动测量组件包括：电机、减速箱壳体、传感器和齿轮减速器；驱动测量组件固定于主动端基座底部，电机固定减速箱壳体上，齿轮减速器位于减速箱壳体内。7.根据权利要求1所述的一种灵巧式在轨电液导通对接装置，其特征在于，所述主动端包括主动端基座、导向筒、杆机构、丝杠、捕获头底座、浮动平台框架、定位孔、分离弹簧、退让弹簧、电连接器主动端、液路连接器主动端、丝杠底座、减速箱壳体、电机、齿轮减速器、液路软管；被动端包括被动端基座、框架定位销、挡盖、电连接器被动端、液路连接器被动端、靶标。8.根据权利要求7所述的一种灵巧式在轨电液导通对接装置，其特征在于，捕获头组件采用周边均布三套杆机构的方案，丝杠与捕获头底座靠近运动时杆机构张开，远离运动时杆机构收拢；杆机构收拢时，可伸入被动端基座捕获内腔，以适应初始位置偏差，为主、被动端靠近及撤离提供安全通道；杆机构张开时，可与被动端基座捕获内腔相配合，实现捕获和粗校正；之后丝杠继续拉回，通过杆机构末端与被动端基座压紧面的配合，拉近主被动端之间的轴向距离，并在这一过程中利用被动端框架定位销与主动端定位孔的配合，实现被动端与主动端浮动平台之间的精校正；之后丝杠继续拉回，完成电连接器主动端和电连接器被动端的插合，以及液路连接器主动端和液路连接器被动端；之后捕获锁紧机构继续运动，
实现主被动端之间锁紧力的施加，并利用结构接触限位，实现主被动端之间的刚性连接和保持。9.根据权利要求7所述的一种灵巧式在轨电液导通对接装置，其特征在于，定位分离组件利用三处分离弹簧与主动端基座相连，并提供预紧力；主动端三处定位孔与被动端上的三处框架定位销配合、浮动平台对接面与被动端对接面配合，共同实现浮动断接器插合所需的精校正；框架定位销插入定位孔过程中，框架定位销压缩退让弹簧；精校正完成后，浮动平台和被动端在捕获头组件作用下继续向下运动，并压缩分离弹簧；分离过程中，分离弹簧推动浮动平台和被动端远离主动端基座，实现各电路、液路的断开。10.一种利用上述对接装置进行灵巧式在轨电液导通对接的方法，其特征在于，包括：任务开始前，驱动捕获头组件推出并收拢杆机构，等待被动端到达初始条件范围；驱动丝杠拉回，捕获头组件杆机构张开，与被动端捕获内腔配合，完成捕获及粗校正，实现主动端对被动端的捕获和粗校正；丝杠继续拉回，通过连杆机构末端与被动端压紧面的配合，同时利用框架定位销与定位孔的配合，实现被动端与主动端浮动平台之间的精校正；丝杠继续拉回，完成各浮动断接器的插合；最后通过传动链中的弹性环节实现主被动端之间锁紧力的施加，并利用结构接触限位，实现主被动端之间的刚性连接和保持；组合体分离时，驱动测量组件驱动丝杠推出，利用浮动平台框架和主动端基座间的分离弹簧推出浮动平台框架和被动端，断开各电路、液路连接；之后捕获头继续运动，利用退让弹簧保证浮动平台框架和被动端的分离；之后丝杠继续运动，收拢杆机构，解除主动端对被动端的捕获，为主被动端撤离提供安全通道；主被动端安全撤离后，驱动丝杠拉回，恢复初始状态，准备下一次对接；如机构分离时出现导向卡滞等现象，导致正常释放分离过程无法实现，则可通过推动捕获装置至被动端底部的方式，强行将被动端推出，实现组合体应急分离。

技术总结
本发明一种灵巧式在轨电液导通式对接方法，包括主动端和被动端；被动端为无源空腔结构，主动端与被动端具备通用接口，作为载荷模块与飞行器之间的可重复连接接口，支持飞行器在轨功能重构；在机械臂提供初始对接条件后，按照粗校正-精校正-断接器插合并形成组合体的流程完成捕获连接；分离时则按照其逆过程，即机构解锁、断开断接器、组合体分离的顺序实现分离，后续由机械臂转移，使得主动端和被动端分离。本发明提供一种灵巧式在轨电液导通式对接方法，在锁紧阶段可为飞行器提供足够的连接力及较好的连接刚度，具有连接可靠的特点；同时具有可重复性高、结构简单可靠、轻量化等特点。特点。特点。


技术研发人员：肖余之 刘鲁江 王治易 靳宗向 龚宁静 高金忠 卢彪 冯文博 王俊 丁亮亮 杨新海 景育
受保护的技术使用者：上海宇航系统工程研究所
技术研发日：2023.03.09
技术公布日：2023/7/19