一種非接觸式模塊化太空飛行器在軌對接方法及實施此方法的模擬裝置的製作方法

2023-05-15 15:50:16

專利名稱：一種非接觸式模塊化太空飛行器在軌對接方法及實施此方法的模擬裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及非接觸模塊化太空飛行器在軌對接方法及實施此方法的模擬裝置，具體利用第II類高溫超導體與電磁鐵的磁通釘扎效應形成的非接觸對接釘扎接口，可方便靈活實現了模塊化太空飛行器的在軌對接過程，此方法為大型太空飛行器的在軌裝配設計提供了新的對接實現手段。
背景技術：
隨著深空探索的深入，構建大型太空飛行器成為必然，而運載箭的載荷是有限的，利用模塊化太空飛行器在軌對接成為構建空間站的一種重要方式。目前採取的對接方法有中心對接機構、周邊對接機構和停靠機構，而傳統對接方式都有自身的局限性。中心對接機構具有承 受較大的衝擊載荷特點；周邊對接機構要求的橫向偏差與角度較小，要求控制系統性能更高；而停靠系統則需要較為複雜的機械臂系統和精確的控制系統；同時傳統對接方法一般還存在對接速度較低，在對接過程中需要複雜精細的反饋控制，且存在著碰撞的風險。因此進一步研究和探討新型對接機構具有重要意義。基於磁通釘扎效應非接觸在軌對接方法利用了第II類高溫超導體在超導態時與某一範圍磁場間捕獲磁力線的特性，形成結構簡單的釘扎對接接口，該接口具有特殊的被動穩定和非接觸的特點，既能準確的定向和定位，又能克服潛在的碰撞。同時該方法通過控制電磁鐵的通電電流的大小和方向改變釘扎對接接口來完成最終對接的過程。由此可見，設想的非接觸在軌對接方法為模塊化太空飛行器在軌對接提供了一種新的對接思路，在太空飛行器對接上具有潛在廣闊的應用前景。

發明內容
本發明的目的是提供一種基於磁通釘扎效應的非接觸模塊化太空飛行器在軌對接新方法，這是一種利用第II類高溫超導體在超導態時與磁場間的相互作用而形成非接觸連接方式，此連接形式具有足夠高的剛度和阻尼，且不需要主動的反饋控制就能穩定保持對接模塊間的相對方向和位置。根據提出的對接方法一基於磁通釘扎效應非接觸模塊化太空飛行器對接，構建了模擬對接裝置，模擬裝置由單片機AT89S52控制系統進行總體順序控制，控制電機絲杆螺母畐O、液體的通斷和電磁鐵的通斷電來實現對接的整個過程。基本步驟為首先設定高溫超導體7和電磁鐵A9間的非接觸連接軸向距離，之後給電磁鐵A9通電，之後冷卻高溫超導體，之後利用傳統推進器的大距離轉移作用使兩模塊太空飛行器進入磁通釘扎作用的有效範圍之內，之後給電磁鐵B20上電，完成超導模塊太空飛行器27和電磁鐵模塊太空飛行器28的對接過程，最終實現兩模塊太空飛行器非接觸連接。根據本發明，在整個對接過程中，設定預期的非接觸連接軸向距離是通過電機絲杆螺母副來改變高溫超導體7和電磁鐵A9的距離來實現的，而此對接方法的巧妙之處在於高溫超導體則由常用雙組元傳統液體推進器的液氫替代常用的液氮冷卻劑來降溫使高溫超導體處於超導態，採用這種方式既可減少了增加液氮瓶的必要和充分利用傳統推進器的成熟技術，又能使高溫超導體極大低於臨界溫度(YBCO超導體臨界溫度為92K，液氮溫度為77K,液氫溫度為20K)，產生深冷效果，使高溫超導體7的磁通釘扎能力進一步提高，從而使得超導模塊太空飛行器27和電磁鐵模塊太空飛行器28的非接觸連接剛度進一步增強。根據本發明，在完成場冷高溫超導體實現設定的被動穩定平衡位置之後，電磁鐵A9斷電，其與高溫超導體7之間的作用消失，縮回電磁鐵A9時將不再影響高溫超導體7內 部釘扎的磁力線分布，從此保持設定好的釘扎平衡位置；而縮回電磁鐵A9的目的是為電磁鐵模塊太空飛行器的電磁鐵B20處於設定的平衡位置騰出空間。根據本發明，充分利用了傳統推進器系統採用的擠壓式輸送系統，具有結構比較簡單，能重複啟動和終止傳統推進器的特點。根據本發明，利用了磁場容易通過改變電磁鐵通電電流的大小和方向控制的特點與兩個完全相同電磁鐵A9和B20磁場的替代性，巧妙實現了設定的預期對接連接。本發明利用高溫超導體與電磁鐵的磁通釘扎效應實現了非接觸模塊化太空飛行器對接的過程，具有控制簡單、接口模塊化、被動穩定、非接觸和無碰撞的特點。並且通過電機絲杆螺母副改變預設的平衡位置和改變電磁鐵B20的電流大小可實現不同距離的非接觸連接形式。另外，通過改變電磁鐵B20的電流方向和通斷電很容易實現兩模塊太空飛行器的連接和重構。


圖I是非接觸連接剛度曲線；圖2是超導模塊太空飛行器的結構示意圖；圖3是電磁鐵模塊太空飛行器的結構示意圖；圖4是模擬對接結構非接觸連接的示意圖；圖5是對接過程控制流程圖。
具體實施例方式基於超導磁通釘扎的在軌對接模擬裝置由超導模塊太空飛行器和電磁鐵模塊太空飛行器所構成。超導模塊太空飛行器則由擠壓式雙組元液氫和液氧推進器、單片機AT89S52控制系統、電機驅動絲杆螺母副、特質高溫超導體容器、高溫超導體和電磁鐵組成。其中最為關鍵的是特質高溫超導體容器需具有較低的容器壁，連接在模塊太空飛行器的最前端，而電磁鐵的一端固定在螺母上以便與電機驅動的絲杆配合運動縮回一定的距離，同時要求放在容器中的高溫超導體與電磁鐵同軸。電磁鐵模塊太空飛行器是由擠壓式雙組元液氫和液氧推進器、單片機AT89S52控制系統和與超導模塊太空飛行器參數相同的電磁鐵組成，電磁鐵安裝在此模塊太空飛行器的最前端。圖I所示為在液氮實驗條件下測量釘扎軸向力數據，利用第一類剛度計算公式 計算得到的剛度與非接觸距離間的關係曲線圖，由此可知釘扎對接接口具有很強的
Az
剛度；圖2所示超導模塊太空飛行器27的各個組成部分，電磁鐵A9與電機絲杆螺母副6相連，高溫超導體7固定在特質的超導容器8內並安裝在超導模塊太空飛行器27的外端，電機轉動可帶動電磁鐵A9沿軸向運動，液體通斷電控開關分布在實現不同作用的位置；圖3所示電磁鐵模塊太空飛行器28的各個組成部分，電磁鐵B20安裝在電磁鐵模塊太空飛行器28的外端，液體通斷電控開關分布在實現不同作用的位置；圖4所示對接後的非接觸連接形式；圖5所示順序控制的流程圖。非接觸模塊化太空飛行器模擬裝置對接過程的控制步驟步驟I :在對接開始前，設定穩定平衡的位置，如圖2所示，單片機AT89S52控制系統11啟動電機轉動，帶動電磁鐵A9沿軸向移動，直到達到預期的設定位置，停止電機的轉動，使電磁鐵A9停止運動；步驟2 :通過單片機AT89S52控制系統11給電磁鐵A9上電，通電電流大小為I。，方向為右手握時順時針，產生穩定的磁場；步驟3 :利用單片機AT89S52控制系統11通過控制各液氫電控開關來決定液氫的 流向，使高溫超導體冷卻，構造場冷冷卻的被動穩定平衡位置；步驟4 :通過單片機AT89S52控制系統11給電磁鐵A9斷電，使電磁鐵A9的磁場消失；步驟5 :利用單片機AT89S52控制系統11啟動伺服電機使電磁鐵A9軸向縮回至少電磁鐵A9厚度的距離，為之後對接過程做準備；步驟6 :利用單片機AT89S52控制系統11控制各液體電控開關和點火開關，啟動超導模塊太空飛行器27的傳統推進器，同時利用單片機AT89S52控制系統19控制各液體電控開關和點火開關，啟動電磁鐵模塊太空飛行器28的傳統推進器，如圖3所示，大範圍機動縮小超導模塊太空飛行器27和電磁鐵模塊太空飛行器28的距離，直到兩模塊間的距離進入釘扎作用的有效範圍之內，停止兩個傳統推進器的作用；步驟7 :利用單片機AT89S52控制系統19給電磁鐵B20上電，通電電流大小為I。，方向為右手握時順時針，產生與電磁鐵A9通電時一樣的穩定磁場，由於高溫超導體和電磁鐵B20的釘扎作用吸引電磁鐵模塊太空飛行器28到達設定的平衡位置，至此完成超導模塊太空飛行器27和電磁鐵模塊太空飛行器28的對接過程。本發明所提出的模塊化太空飛行器在軌對接方法，無需機械連接就可完成相應模塊的定位、定向和裝配，具有較高的在軌裝配安全性和健壯性，在航天在軌裝配和在軌服務技術方面具有廣闊的應用前景。其具體的優勢體現在(I)此釘扎對接接口不需主動控制，只需簡單控制各開關的順序就能實現在軌對接的最終過程；(2)該在軌對接方法充分利用了傳統推進系統擠壓式輸送系統成熟的技術，且為深冷高溫超導體提供了冷卻介質，極大增強了非接觸連接的剛度，提高了兩模塊太空飛行器間的抗幹擾能力；(3)此模塊化太空飛行器連接系統可方便通過改變電磁鐵的電流大小和方向，形成被動穩定連接和解除連接，因此具有很容易實現太空飛行器的對接和分離過程。
權利要求
1.一種非接觸式模塊化太空飛行器在軌對接方法，該方法包括以下步驟 通過在模塊化的對接結構連接處設計布置磁體和高溫超導體形成超導磁體對； 通過常用的雙組元液體推進器的液氫單元冷卻對接裝置中的高溫超導體，使其進入場冷態； 通過單片機控制系統控制調整場冷態下高溫超導體與模塊自身磁體間的平衡位置； 通過對接模塊的雙組元液體推進器使二者逼近超導磁體對作用範圍； 通過對接模塊內的單片機控制系統調整超導磁體對形成可靠穩定的非接觸連接。
前述步驟的實現有賴於高溫超導體在場冷狀態時捕獲磁力線的特性，超導電流在空間上產生磁場與磁體產生的磁場相互作用可形成被動穩定的非接觸連接，此連接可比擬彈簧阻尼連接具有很高的剛度和阻尼。
2.一種用於實施權利要求I中所述方法的模擬對接裝置，其特徵在於所述模擬對接裝置由模塊連接部位由設計安裝了高溫超導體的超導模塊太空飛行器(27)和安裝了電磁鐵的模塊太空飛行器(28)組成。其中超導模塊太空飛行器(27)對接開始時需要先設定穩定平衡位置，步驟為由單片機AT89S52控制系統(11)控制電機驅動絲杆螺母副(6)改變高溫超導體(7)和電磁鐵A(9)間的軸向距離，達到預期的距離d，停止電機轉動使兩者的距離保持不變；然後由單片機AT89S52控制系統(11)給電磁鐵A(9)通電，通電電流為大小為10，方向為右手握時順時針；最後由單片機AT89S52控制系統(11)控制電控開關(4)、(5)、(12)和(14)，使高壓氣瓶(10)的高壓氣體進入液氫瓶(13)中，壓迫液氫沿管道進入超導容器(8)中，冷卻高溫超導體(7)構成場冷冷卻的狀態，從而達到超導體場冷態下的預平衡位置。
預平衡位置調定後，對接正式開始。步驟為由單片機AT89S52控制系統(11)使電磁鐵A(9)斷電；由單片機AT89S52控制系統(11)控制電機驅動絲杆螺母副(6)縮短高溫超導體(7)和電磁鐵A (9)間的軸向距離，使電磁鐵A (9)縮回至少電磁鐵A (9)厚度的距離；由單片機AT89S52控制系統(11)控制電控開關(I)、(3)和(15)，使高壓氣瓶(10)的高壓氣體進入液氧瓶(2)和打開液氫進入推進器腔的通道，使液氧和液氫在超導模塊太空飛行器(27)的推進器內充分混合，並由單片機AT89S52控制系統(11)控制其點火，同時由單片機AT89S52控制系統(19)控制打開開關(22)、(23)、(24)、(25)、(26)和(16)，使高壓氣瓶(21)的高壓氣體進入液氧瓶(17)和液氫瓶(18)中，使液氧和液氫在電磁鐵模塊太空飛行器(28)的推進器內充分混合，並由單片機AT89S52控制系統(19)控制其點火，兩側同時驅動傳統推進器，機動控制超導模塊太空飛行器(27)和電磁鐵模塊太空飛行器(28)的距離，當兩模塊距離等於7cm，由AT89S52控制系統(11)控制關閉開關(I)和(3)，由單片機AT89S52控制系統(19)控制打開開關(22)、(23)、(24)、(25)、(26)和(16)，停止傳統推進器的推進；由單片機AT89S52控制系統(19)給電磁鐵B (20)通電，通電電流為大小為10，方向為右手握時順時針。
3.如權利要求1-2中的所述方法和模擬裝置，其特徵在於，充分利用高溫超導體磁力線捕獲特性構建被動的穩定連接，可比擬彈簧阻尼連接具有很高的剛度和阻尼，模擬裝置利用傳統推進器常用的雙組元液體推進器的液氫瓶(13)的液氫冷卻高溫超導體，使其在場冷下與可控電磁鐵形成被動穩定的非接觸連接。
4.如權利要求1-2中的所述的方法和模擬裝置，其特徵在於，利用完全相同的電磁鐵A (9)和電磁鐵B (20)，通電電流大小和方向都相同，產生完全相同的磁場，通過控制其通電有無和磁場的替代性，完成兩模塊非接觸的連接過程。
5.如權利要求1-2中的所述的方法和模擬裝置，其特徵在於，可利用單片機AT89S52控制系統(19)控制電磁鐵B(20)的電流大小和方向改變其非接觸的距離和實現超導模塊太空飛行器(27)和電磁鐵模塊太空飛行器(28)的自由重構。
全文摘要
一種非接觸式模塊化太空飛行器在軌對接方法及實施此方法的模擬裝置，其特徵在於對接方法充分利用了第II類高溫超導體超導態時捕獲磁力線的特性，超導電流產生的磁場與磁體產生的磁場相互作用，可形成超導磁體對被動穩定的非接觸連接，此連接可比擬彈簧阻尼連接具有很高的剛度和阻尼；基於該作用機理構建的採用電磁體和高溫超導體的非接觸連接接口的模擬裝置，對接接口不需要任何機械連接和主動控制，就可完成相應模塊的定位、定向和裝配，為在軌裝配提供了更高的安全性和健壯性。本發明為無機械接觸的模塊化太空飛行器結構被動連接提供了新的方法，在航天在軌裝配和在軌服務技術方面具有廣闊的應用前景。
文檔編號B64G1/64GK102774512SQ201210189439
公開日2012年11月14日 申請日期2012年6月11日 優先權日2012年6月11日
發明者周亮, 張明亮, 路勇 申請人:哈爾濱工業大學