專利名稱：在軌航天器的柔性自適應對接器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在軌航天器的柔性自適應對接器，該種柔性自適應對 接器的對接方式及其過程基于電流變彈性膠體的機電耦合性以及壓電復合材料的壓電效 應所設計，且因其柔性的自適應閉環(huán)控制克服了傳統(tǒng)對接過程中的硬性碰撞以及由碰撞引 起的無規(guī)振蕩。
背景技術(shù)：
空間技術(shù)是當今世界高科技群體中對科學探索，技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展 最具影響的科學技術(shù)之一。21世紀，空間技術(shù)對國家安全與繁榮的重要性更加突出，世界各 國在空間的競爭更加激烈，從而有力地推動了空間技術(shù)的迅猛發(fā)展。至今人們征服和利用 空間的能力取得了長足的進步，但是傳統(tǒng)思路下的航天器研制、發(fā)射的周期長，風險高，費 用高等因素仍然制約著空間技術(shù)應用的范圍和效益。從目前來看，模塊化的可重復使用的 航天器是解決上述問題的最佳途徑。本發(fā)明以美國“軌道快車”計劃為背景提出了一種模塊之間柔性自適應的對接器。 2007年3月8日美國發(fā)射了名為“軌道快車”計劃的兩顆航天器，其中一顆被稱為“空間自 動轉(zhuǎn)運機器人”Astro (Autonomous Space Transfer & Robotic Orbital Server)也稱“月艮 務航天器”的航天器帶有靈活的機械臂，可以用于完成目標衛(wèi)星的捕捉和加注燃料，更換 模塊等操作；另一顆則被稱為“下一代目標星” NextSat (Next Generation Satellite and Commodities spacecraft)，二者需要配合以完成飛行器在太空高速運轉(zhuǎn)時的自主對接和 在軌服務。太空中處于高速運行狀態(tài)的模塊化航天器在因燃料補給、部件更換或其所執(zhí)行 任務的改變而需對模塊化組裝的航天器系統(tǒng)進行重新組合或模塊更換，在此過程中航天器 之間的對接方法及對接方式對航天器系統(tǒng)的重構(gòu)極為重要。發(fā)明內(nèi)容針對在軌服務技術(shù)中模塊化航天器之間須在復雜的太空環(huán)境高速運 行下進行對接，為避免航天器因硬性的機械對接產(chǎn)生的無規(guī)振蕩和碰撞而引起的風險，本 發(fā)明提出了一種柔性自適應的智能對接器。這種柔性自適應對接器的智能對接方式是利用電流變彈性膠體的機電耦合性以 及壓電復合材料的壓電效應所設計。壓電效應的原理是對壓電材料施加壓力，它便會產(chǎn)生 電位差，且電位差的大小與施加的應力大小成正比。電流變彈性膠體的機電耦合性，隨著外 加電場E的增強，在場域中產(chǎn)生的誘導偶極間作用力變大，電流變彈性膠體的顆粒的極化 程度也越來越大，即顆粒排列更加緊密，宏觀上電流變彈性膠體的壓縮模量增大，形成較高 的剪切力。選擇恰當?shù)牟牧贤ㄟ^一定的電氣連接而成的柔性自適應接口，相比于傳統(tǒng)的方 式，該種接口不僅避免了以往對接過程中的硬性振蕩和無規(guī)碰撞所帶來的問題，而且因其 智能的閉環(huán)響應省去了復雜的計算機控制系統(tǒng)和機械響應系統(tǒng)。


圖1美國“軌道快車”計劃交會對接三維結(jié)構(gòu)示意2柔性自適應交會對接接口主視3柔性自適應對接器接口中被動捕獲系統(tǒng)剖視圖
圖4電流變彈性膠體壓縮模量隨外加電場的變化圖5柔性自適應交會對接過程被動捕獲系統(tǒng)受力示意圖具體實施方式
如附圖1所示太空中處于高速運行狀態(tài)的模塊化航天器因燃料 補給、部件更換或任務變化需進行在軌服務，為了確保在軌服務的順利進行，需使ASTRO和 NEXTSat之間保持相對靜止，因此需要在復雜的太空環(huán)境中安全、可靠的完成處于高速運動 狀態(tài)的兩物體之間的自主交會對接。如附圖1所示，圖左為“空間自動轉(zhuǎn)運機器人”即“服務航天器”(Astro) 1，其上帶 有靈活自由的機械臂(Robotic Arm)3，其可以用于完成目標衛(wèi)星的捕捉和加注燃料，更換 模塊等操作；圖右為“目標航天器”(NextSat)2。如附圖2所示，在自主交會對接最終對接階段時，采用圖像制導和激光制導。航天 器之間對齊對接面，調(diào)整速度等運動參數(shù)，當目標航天器2進入機械臂3的工作范圍后，將 充分發(fā)揮自由機械臂3的作用，目標航天器在機械臂3的夾持下，主動捕獲臂3以一定速 度、角度進入被動捕獲系統(tǒng)4。如附圖3所示，由于服務航天器和目標航天器均在做高速的運動，主動捕獲臂在 對接的過程中必然在被動捕獲系統(tǒng)的內(nèi)壁上碰撞，但由于嵌在內(nèi)壁外側(cè)的電流變彈性膠體 (ER膠體)3的保護，一定力度內(nèi)的撞擊并不會對機體產(chǎn)生破壞，當捕獲臂在自主導航下，深 入一定距離時，捕獲臂接觸到鑲嵌在內(nèi)部的壓電復合材料2時，壓電復合材料2由于受到擠 壓形變而產(chǎn)生相應的電壓，激勵電流變彈性膠體工作，從而形成自適應對接。實施例本系統(tǒng)選用壓電材料由PZT-PZN (壓電陶瓷粉末)與PVDF (壓電聚合物) 復合制備0-3型壓電復合材料。所選的材料具有較高的壓電常數(shù)也具備良好的柔性加工性 能、易于加工成型，且易與空氣、水、人體組織匹配。當陶瓷粉末質(zhì)量分數(shù)80wt%時，其壓電 活化系數(shù)d為218pC/N。電流變彈性膠體選用壓縮模量較大的鈦酸鋇/明膠水凝膠復合膠體，當鈦酸鋇 (BaTiO3)顆粒濃度為1. 5wt%，在E = lKV/mm的凝膠電場(制備過程中的電場強度)得到 的復合膠體，其壓縮模量隨外加電場的變化如圖4。如附圖5所示，S = d · E(S為形變模量，d為壓電復合材料的壓電活性常數(shù))，E =S/d(且在對接過程的不斷進行中，E隨S增大而迅速變強)。產(chǎn)生的強電場通過一定的 電氣連接加載到電流變彈性膠體(ER膠體)上，隨著E的增強，在場域中產(chǎn)生的誘導偶極間 作用力變大，ER膠體的顆粒的極化程度也越來越大，即顆粒排列更加緊密，宏觀上ER膠體 的壓縮模量增大，并逐漸對捕獲臂產(chǎn)生剪切力(如圖，在壓縮模量增長到一定程度時產(chǎn)生 足夠的剪切力使服務航天器和目標航天器保持相對靜止，最終以智能的自耦合的形式完成 交會對接過程。
權(quán)利要求
1.一種在軌航天器的柔性自適應對接器，其組成包括被動捕獲系統(tǒng)以及主動捕獲臂， 其主要特征是，在剛性外殼結(jié)構(gòu)制成的被動捕獲系統(tǒng)內(nèi)壁，部分鑲嵌電流變彈性膠體，部分 設置壓電復合材料。
2.如權(quán)利要求1所述在軌航天器的柔性自適應對接器，剛性外殼結(jié)構(gòu)內(nèi)部為空，壓電 復合材料和電流變彈性膠體通過電氣線路連接。
3.如權(quán)利要求1所述在軌航天器的柔性自適應對接器，鑲嵌在被動捕獲系統(tǒng)內(nèi)壁外部 的電流變彈性膠體，選用壓縮模量較大的鈦酸鋇/明膠水凝膠復合膠體，鈦酸鋇(BaTiO3) 具有高介電常數(shù)，顆粒濃度為1.5wt% ；明膠具有蛋白結(jié)構(gòu)的兩性高分子聚電介質(zhì)材料，可 以迅速形成水凝膠，在制備過程中施加E = lkV/mm的凝膠電場強度得到復合膠體，當測試 電場E = lkV/mm其壓縮模量為73/KPa。
4.如權(quán)利要求1所述在軌航天器的柔性自適應對接器，加載在被動捕獲系統(tǒng)內(nèi)壁內(nèi)部 的壓電復合材料，選用由PZT-PZN(壓電陶瓷粉末)與PVDF (壓電聚合物)復合制備0-3型 壓電復合材料，陶瓷粉末質(zhì)量分數(shù)80wt%，，其壓電活化系數(shù)d為218pC/N。
5.如權(quán)利要求1所述在軌航天器的柔性自適應對接器，主動捕獲臂為圓柱狀的剛性結(jié) 構(gòu)體。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種在軌航天器的柔性自適應對接器，該種柔性自適應對接器對接過程基于被動捕獲系統(tǒng)內(nèi)壁內(nèi)部電流變彈性膠體的機電耦合性以及壓電復合材料的壓電效應所設計。選擇恰當?shù)牟牧贤ㄟ^一定的電氣連接而成的柔性自適應接口，通過柔性的自適應耦合對接避免了傳統(tǒng)對接過程中的硬性碰撞和無規(guī)振蕩所帶來的問題和風險，且因其智能的閉環(huán)響應省去了復雜的計算機控制系統(tǒng)和機械響應系統(tǒng)。
文檔編號B64G1/64GK102107738SQ20091025447
公開日2011年6月29日 申請日期2009年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月23日
發(fā)明者任勇, 趙曉鵬 申請人:西北工業(yè)大學