本發(fā)明涉及納衛(wèi)星領(lǐng)域，特別涉及納衛(wèi)星電磁對接重構(gòu)設(shè)備的設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

借助對接機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)多個獨(dú)立飛行器在空間的剛性連接，對接過程中，對接機(jī)構(gòu)的主動端對被動端捕獲和鎖緊，《載人航天》2016年第22(1)期，93-98頁公開的“一種微型航天器對接機(jī)構(gòu)的設(shè)計研究[J]”對對接機(jī)構(gòu)的捕獲和鎖緊過程進(jìn)行了闡述。納衛(wèi)星對接技術(shù)旨在利用多個體積小、重量輕的納衛(wèi)星通過空間交匯對接，實(shí)現(xiàn)功能重構(gòu)，組合任務(wù)等，以較低的成本替代傳統(tǒng)大型納衛(wèi)星，甚至突破單顆納衛(wèi)星的任務(wù)限制，強(qiáng)化空間協(xié)作。

對接是一個精準(zhǔn)的空間操作，需要相對距離估計、自動避撞、自動捕獲、對接擾動穩(wěn)定的功能，此外需要精確的導(dǎo)航策略和傳感器，Roscoe C W T,Griesbach J D,Westphal J J,et al.Force modeling and state propagation for navigation and maneuver planning for CubeSat rendezvous,proximity operations,and docking[J].Advances in the Astronautical Sciences,2014,150:573-590對此進(jìn)行了闡述。目前對接采用復(fù)雜的對接鎖緊機(jī)構(gòu)，對接系統(tǒng)的體積、重量和能耗都無法適應(yīng)納衛(wèi)星應(yīng)用，并且限于微納衛(wèi)星本身的控制精度和導(dǎo)航對接設(shè)備的復(fù)雜性，要求納衛(wèi)星的對接設(shè)備能實(shí)現(xiàn)一定程度的自動對準(zhǔn)，并考慮對接過程中推力器排出羽流將會給對接任務(wù)帶來不利的影響，希望在近距離接近時，無需推進(jìn)，實(shí)現(xiàn)末段自主對接。

電磁對接利用磁力產(chǎn)生兩個納衛(wèi)星間的相互吸引力，能耗少且自主性高，大大降低了納衛(wèi)星的系統(tǒng)要求。目前基于納衛(wèi)星的電磁對接的研究主要有英國Surrey的STRaND納衛(wèi)星，Tyvak的CPOD任務(wù)以及OAAN(微納納衛(wèi)星在軌自動組裝)近距離對接的仿真分析。設(shè)計普遍考慮使用永磁鐵設(shè)計磁對接和鎖緊設(shè)備。

在安裝誤差和發(fā)射振動影響下，永磁鐵對整星的磁性影響不可能通過安裝布局完全抵消，尤其是體積緊湊的立方體納衛(wèi)星，無法預(yù)計的磁性影響會導(dǎo)致納衛(wèi)星姿態(tài)控制失效。已有的研究較少考慮空間環(huán)境的特異性，僅關(guān)注力、力矩及機(jī)構(gòu)本身，基于電磁鐵的對接分離機(jī)構(gòu)的設(shè)計方法研究尚未見公開發(fā)表的文獻(xiàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的問題是現(xiàn)有磁對接和鎖緊裝置采用永磁鐵，永磁鐵對整星影響無法消除；為解決所述問題，本發(fā)明提供納衛(wèi)星電磁對接重構(gòu)設(shè)備的設(shè)計方法。

本發(fā)明提供的納衛(wèi)星電磁對接重構(gòu)設(shè)備的設(shè)計方法包括：

步驟101、建立第一電磁力設(shè)備和第二電磁力設(shè)備的吸引力約束，所述第一電磁力設(shè)備和第二電磁力設(shè)備分別與對接的納衛(wèi)星的卡鎖鎖被連接；

步驟102、根據(jù)發(fā)熱平衡約束設(shè)計磁棒參數(shù)；

步驟103、根據(jù)線圈安匝數(shù)約束確定線圈線徑；

步驟104、根據(jù)步驟101至103建立的約束條件設(shè)計第一電磁力設(shè)備和第二電磁力設(shè)備。

進(jìn)一步，第一電磁力設(shè)備和第二電磁力設(shè)備均采用一根繞線磁棒，吸引力約束關(guān)系為：其中，為相對距離的單位矢量；兩個線圈的長度矢量分別為L₁、L₂，線圈電流為I₁、I₂，μ_r為磁芯磁導(dǎo)率。

進(jìn)一步，發(fā)熱平衡方程為P＝a₁S_a+a₂S_M，P為發(fā)熱平衡功率，S_a、S_M分別表示與空氣和金屬接觸的散熱面，a₁、a₂分別表示單位散熱面上所散出的功率，a₁、a₁是由線圈厚度和類型得到的經(jīng)驗(yàn)值，P不大于衛(wèi)星空間內(nèi)允許的發(fā)熱功率上限。

進(jìn)一步，所述第一線圈的線徑為：為第一線圈安匝數(shù)，P₁為第一線圈功率，A₀₁為第一線圈窗口截面積。為所述第一電磁力設(shè)備的一匝線圈平均長度，D_e1為第一線圈的外徑，D_i1為第一電磁力設(shè)備的第一磁芯的直徑。

進(jìn)一步，所述第二線圈的線徑為：為所述第二電磁力設(shè)備的一匝線圈平均長度，D_e2為第二線圈的外徑，D_i2為第二電磁力設(shè)備的第二磁芯的直徑，為第二線圈安匝數(shù)，P₂為第二線圈功率，A₀₂為第二線圈窗口截面積。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)包括：采用電磁對接，根據(jù)兩納衛(wèi)星對接的吸引力約束、熱平衡約束、線圈安匝數(shù)約束設(shè)計第一電磁力設(shè)備和第二電磁力設(shè)備；通過控制驅(qū)動電路控制第一電磁力設(shè)備和第二電磁力設(shè)備的線圈中的電流的大小和方向，控制電磁力設(shè)備和第二電磁力設(shè)備之間的作用力的方向和大小，從而控制分別與第一電磁力設(shè)備和第二電磁力設(shè)備連接的第一卡鎖設(shè)備和第二卡鎖設(shè)備之間的作用力的方向和大小，從而實(shí)現(xiàn)與第一卡鎖設(shè)備和第二卡鎖設(shè)備連接的第一納衛(wèi)星和第二納衛(wèi)星的對接和分離。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的納衛(wèi)星電磁對接重構(gòu)設(shè)備的繞線磁棒對接運(yùn)動示意圖

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的納衛(wèi)星電磁對接重構(gòu)設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的納衛(wèi)星電磁對接重構(gòu)設(shè)備設(shè)計流程圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的納衛(wèi)星電磁對接重構(gòu)設(shè)備的約束域平面圖。

具體實(shí)施方式

下文中，結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明的精神和實(shí)質(zhì)作進(jìn)一步闡述。

如圖1所示，本發(fā)明提供的納衛(wèi)星電磁對接重構(gòu)設(shè)備，包括：第一卡鎖設(shè)備33、第二卡鎖設(shè)備44；還包括：與第一卡鎖設(shè)備33連接的第一電磁力設(shè)備11，與第二卡鎖設(shè)備44連接的第二電磁力設(shè)備22；對接時，所述第一電磁力設(shè)備11和第二電磁力設(shè)備22之間的磁力為吸引力。所述第一卡鎖設(shè)備安裝于第一納衛(wèi)星，第二卡鎖設(shè)備安裝于第二納衛(wèi)星。

如圖2所示，所述第一電磁力設(shè)備和第二電磁力設(shè)備結(jié)構(gòu)相同，所述第一電磁力設(shè)備包括至少一根繞線磁棒01，與所述繞線磁棒電連接的驅(qū)動電路02，所述驅(qū)動電路02包括電流大小調(diào)節(jié)器和電流方向調(diào)節(jié)器，還包括供電電路03。為節(jié)省空間，所述第一電磁力設(shè)備和第二電磁力設(shè)備共用供電電路03。通過電流大小調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)，比如PWM，調(diào)節(jié)第一電磁力設(shè)備和第二電磁力設(shè)備之間的作用力的大??；通過電流方向調(diào)節(jié)器，比如反向器，調(diào)節(jié)第一電磁力設(shè)備和第二電磁力設(shè)備內(nèi)電流的方向，調(diào)節(jié)第一電磁力設(shè)備和第二電磁力設(shè)備之間作用力的方向。

本發(fā)明實(shí)施例提供的納衛(wèi)星電磁對接重構(gòu)設(shè)備可以與任意卡鎖設(shè)備相配合，對接模式下，第一電磁力設(shè)備的第一線圈和第二電磁力設(shè)備的第二線圈電流方向相同，第一電磁力設(shè)備和第二電磁力設(shè)備相對端磁性相反、產(chǎn)生吸引力，第一電磁力設(shè)備連接的第一卡鎖設(shè)備和第二電磁力設(shè)備連接的第二卡鎖設(shè)備對接；分離模式下，第一電磁力設(shè)備的第一線圈和第二電磁力設(shè)備的第二線圈電流方向相反，第一電磁力設(shè)備和第二電磁力設(shè)備相對端磁性相同、產(chǎn)生排斥力，第一電磁力設(shè)備連接的第一卡鎖設(shè)備和第二電磁力設(shè)備連接的第二卡鎖設(shè)備分離。

一個實(shí)施例中，所述第一卡鎖設(shè)備為接納錐，所述第二卡鎖設(shè)備為對接桿；所述接納錐內(nèi)設(shè)有卡扣；所述對接桿上設(shè)有檔位；所述卡扣與所述檔位均是由彈性材料制成的；所述接納錐與所述對接桿成鎖匙結(jié)構(gòu)。

在本實(shí)施例中，以所述第一電磁力設(shè)備和第二電磁力設(shè)備分別采用一根繞線磁棒為例，對本發(fā)明實(shí)施例提供的那衛(wèi)星電磁對接重構(gòu)設(shè)備的設(shè)計方法進(jìn)行示意性闡述，在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，可以靈活調(diào)整繞線磁棒的數(shù)量，采用與本實(shí)施例相同的原理設(shè)計繞線磁棒的參數(shù)。本發(fā)明實(shí)施例提供的那衛(wèi)星電磁對接重構(gòu)設(shè)備的設(shè)計方法包括：

步驟S101，根據(jù)畢奧-薩伐爾定律計算電磁作用力，由HCW軌道動力學(xué)方程計算納衛(wèi)星對接所需吸引力，結(jié)合鎖緊機(jī)構(gòu)力學(xué)實(shí)驗(yàn)計算所需要的分離力，從而得到第一電磁力設(shè)備和第二電磁力設(shè)備的吸引力約束。

由畢奧-薩伐爾定律得到載流導(dǎo)線周圍磁場與電流的定量關(guān)系為：

式中，μ₀為真空磁導(dǎo)率；r為空間點(diǎn)P與電流元Idl的距離矢量；線圈作用力的精確模型公式為：

即兩個通電單匝線圈的作用力公式，即吸引力約束關(guān)系如下：

其中，為相對距離的單位矢量。兩個線圈的長度矢量分別為L₁、L₂，線圈電流為I₁、I₂，μ_r為磁芯磁導(dǎo)率。多匝繞線線圈作用力為單匝繞線線圈作用力的匝數(shù)倍。

步驟S102，根據(jù)發(fā)熱平衡約束設(shè)計磁棒參數(shù)，所述磁棒參數(shù)包括磁芯材料、直徑、長度及繞線后的外徑。

磁芯材料選擇低磁滯的軟磁合金材料。磁芯直徑由納衛(wèi)星的重量和體積限制，長度由線圈長度確定。

由于線圈帶負(fù)載并且繞線線圈和磁芯金屬間有熱傳導(dǎo)，在密閉的衛(wèi)星空間內(nèi)有允許發(fā)熱功率上限，磁棒參數(shù)還需滿足發(fā)熱平衡約束。本實(shí)施例中，采用漆包線制作的繞線磁棒的發(fā)熱平衡方程可由下述公式表示：

P＝a₁S_a+a₂S_M

式中，P為發(fā)熱平衡功率，S_a、S_M分別表示與空氣和金屬接觸的散熱面，a₁、a₂分別表示單位散熱面上所散出的功率，a₁、a₂是由線圈厚度和類型得到的經(jīng)驗(yàn)值。如圖4所示，發(fā)熱平衡功率與線圈安匝數(shù)(磁勢)、線徑直接相關(guān)，在發(fā)熱功率和安匝數(shù)的約束下可選擇合適的線徑，線圈選擇范圍如圖中三角斜線陰影區(qū)域Ⅰ所示。

步驟S103、根據(jù)線圈安匝數(shù)約束確定線圈線徑。根據(jù)線圈線徑的約束篩選線圈。

所述第一線圈的線徑為：為第一線圈安匝數(shù)，P₁為第一線圈功率，A₀₁為第一線圈窗口截面積。為所述第一電磁力設(shè)備的一匝線圈平均長度，D_e1為第一線圈的外徑，D_i1為第一電磁力設(shè)備的第一磁芯的直徑，。

進(jìn)一步，所述第二線圈的線徑為：為所述第二電磁力設(shè)備的一匝線圈平均長度，D_e2為第二線圈的外徑，D_i2為第二電磁力設(shè)備的第二磁芯的直徑，為第二線圈安匝數(shù)，P₂為第二線圈功率，A₀₂為第二線圈窗口截面積。

步驟S104、根據(jù)步驟101至103建立的約束條件設(shè)計第一電磁力設(shè)備和第二電磁力設(shè)備。

所纏繞導(dǎo)線和對接重構(gòu)設(shè)備中各部件均采用工業(yè)上獲得的產(chǎn)品，并需要同時滿足吸引力約束、熱平衡功率約束以及線圈安匝數(shù)約束。以線圈線徑為例，線圈的線徑不止與線圈中電流相關(guān)，還會影響到線圈的安匝數(shù)，所以可能會需要反復(fù)調(diào)試，直至所有吸引力約束關(guān)系中各數(shù)值不可能選取任意理論值。由圖4所示的約束域圖來調(diào)整繞線線圈，最終得到設(shè)計結(jié)果滿足要求的電磁對接機(jī)構(gòu)。

綜上，本發(fā)明提供的納衛(wèi)星電磁對接重構(gòu)設(shè)備綜合考慮了吸引力約束、發(fā)熱平衡約束、安匝數(shù)約束，利用電磁鐵本身的特性，只需結(jié)合簡單的卡鎖機(jī)構(gòu)，無需復(fù)雜的對接設(shè)備和導(dǎo)航控制方案，即可實(shí)現(xiàn)自主的對接，解決了現(xiàn)有衛(wèi)星對接機(jī)構(gòu)復(fù)雜，無法適應(yīng)微納衛(wèi)星應(yīng)用的問題。另外，電驅(qū)動產(chǎn)生的電磁力只存在對接分離過程中，不會在其他階段產(chǎn)生電磁干擾問題，設(shè)計具有更好的可靠性。

本發(fā)明雖然已以較佳實(shí)施例公開如上，但其并不是用來限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，都可以利用上述揭示的方法和技術(shù)內(nèi)容對本發(fā)明技術(shù)方案做出可能的變動和修改，因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對以上實(shí)施例所作的任何簡單修改、等同變化及修飾，均屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍。