一种航天器空间对接地面操控实验系统及方法技术方案

本发明专利技术提出一种航天器空间对接地面操控实验系统及方法，该系统包括主动对接机构和被动对接机构，以及纵向位移机构；主动对接机构连接到纵向位移机构，进行纵向位移，所述主动对接机构还包括有位姿调整机构，用于调整自身位姿；其中，所述主动对接机构和被动对接机构分别包括有对接环，两者利用对接环进行对接。本发明专利技术以一种地面演示的方式再现了太空中航天器对接的场景，在航天科普领域相比于传统影视教学具有更强的直观性；对接的整个过程由人为操作完成，具有更强的操作性；采取了近距离观察以及手动操作的方案，能够清晰地展示对接系统采用的原理。

【技术实现步骤摘要】
一种航天器空间对接地面操控实验系统及方法
本专利技术属于航天教育科普领域，具体涉及一种航天器空间对接系统的地面演示系统。
技术介绍
随着中国航天的飞速发展，青少年对航天事业的热情越来越高，了解、学习航天相关原理技术的需求也越来越广泛。航天教育科普越来越多的走进校园，出现在各种教育平台上。但是目前航天技术的科普主要方式为观看影视作品，听讲座报告等，且大多停留在概述性阶段，对其中的技术细节设计涉及较少。传统的科普方式越来越无法满足青少年日益增加的对新知识的需求，因此也越来越难以激发其兴趣。开展更具互动性、创新性、探索性的新型航天科普方式能够进一步促进航天知识的普及，激发青少年的探索创新精神。
技术实现思路
本专利技术要解决的问题是：针对近年来中国航天的飞速发展带来的航天科普在青少年群体中的较大需求，依托于航天器空间对接技术，提出了一种空间对接系统的地面演示方案，让青少年可以近距离观察并亲手操作对接过程，了解对接过程的原理及其实现方式，加深青少年对航天技术的认识。本专利技术旨在推动航天技术中交会对接关键技术在青少年中的普及推广，增强青少年对交会对接的原理、机构以及运行过程的了解。本专利技术以中国神舟飞船与天宫空间实验室的数次交会对接为基础，选择其中的对接过程，将其关键技术经过简化，设计出了地面演示平台，完整地演示了航天器的对接过程。对接过程中的两个航天器分别由主动对接机构和被动对接机构模拟。主动对接机构包含作动系统，能够根据指令产生运动，在对接过程中根据被动对接机构的位置、姿态对自身的位置、姿态进行调整。被动对接机构的姿态可以手动调节并锁定，以模拟两个航天器在对接过程中不同的初始位置。本专利技术的技术方案为：一种航天器空间对接地面操控实验系统，包括：主动对接机构和被动对接机构，以及纵向位移机构；主动对接机构连接到纵向位移机构，进行纵向位移，所述主动对接机构还包括有位姿调整机构，用于调整自身位姿；其中，所述主动对接机构和被动对接机构分别包括有对接环，两者利用对接环进行对接。进一步的，所述的主动对接机构包括Stewart平台，所述Stewart平台包括步进电机电推杆、下平台和主动对接机构对接环；主动对接机构保护罩将Stewart平台包裹在内；Stewart平台通过转接支架连接于纵向位移机构上。进一步的，所述纵向位移机构包括步进电机、底座、导轨丝杠。进一步的，所述电推杆包括衬套，衬套与Stewart平台下平台相连，并通过轴承与U形虎克铰相连；U形虎克铰通过销轴与电推杆结构相连；步进电机为电推杆的驱动电机，伸缩杆为电推杆的作动杆；伸缩杆通过球形关节轴承与球铰座相连接；球铰座与主动对接机构对接环相互连接。进一步的，所述的被动对接机构包括：被动对接机构支架，连接于基座上，被动对接机构支架为中空结构，法兰轴下部伸在被动对接机构支架内部并通过铜圈配合，形成沿偏航方向的旋转自由度，法兰轴的上部通过法兰与轴承座相连；下刻度盘与被动对接机构支架固连，上刻度盘与法兰轴固连，两个刻度盘上刻有刻度，通过其相对位置读取偏航角度值；偏航锁定旋钮用来锁定偏航角度；轴承座和块轴通过两个轴承连接，形成俯仰方向的自由度，左刻度盘上刻有刻度并与块轴固连，左压盖与轴承座相连且也刻有刻度，通过左压盖和左刻度盘之间的刻度读取俯仰方向的旋转角度值，俯仰方向锁定旋钮将左刻度盘与轴承座的相对位置锁定，进而锁定俯仰方向自由度；主轴与块轴之间通过另一组轴承相连，形成滚转方向的自由度，前刻度盘刻有刻度并与主轴固连，通过与块轴之间的相对转动读取滚转方向的角度值，滚转方向自由度的锁定通过滚转方向锁定旋钮实现；主轴前段为中空结构并与弹簧轴配合，形成一个额外的平动自由度，并可通过锁定插销锁定/解锁；外壳底盖、外壳共同组成了被动对接机构的保护罩，被动对接机构对接环通过弹簧与弹簧轴相连；操作手柄与主轴相连。进一步的，所述的对接环如下：主动对接机构对接环导向片固定在主动对接机构对接环结构上，电磁铁线圈固定在主动对接机构对接环结构上；被动对接机构对接环导向片固定在被动对接机构对接环结构上，吸附铁块固定在被动对接机构对接环结构上；对接环采用了“同构异体周边”式布局结构；在对接过程中被动对接机构对接环导向片和主动对接机构对接环导向片在对接过程中能够配合弹簧矫正对接机构运动误差，提高对接的精度；对接完成后，电磁铁线圈通电产生磁场用以吸附铁块，实现两个对接环的刚性连接；进一步的，还包括硬件系统控制回路：用于设定被动对接机构的姿态信息，并将被动对接机构姿态信息调节至设定状态；将被动对接机构的姿态信息输入至控制计算机，控制计算机将跟据被动对接机构的姿态信息进行轨迹规划并生成控制指令；控制计算机将控制指令下发到下位机，并由下位机实时地将控制指令转化为驱动指令输出至驱动器；驱动器将驱动信号经过放大，形成驱动电流，控制主动对接机构产生相应地运动。根据本专利技术的另一方面，提出一种航天器空间对接地面操控实验方法，包括如下步骤：步骤1、执行被动对接机构找零过程：步骤2、执行主动对接机构拉回过程：步骤3、执行被动对接机构还原过程。进一步的，所述步骤1包括如下步骤：(1.1)操作控制计算机，控制Stewart平台，使其各作动杆都回到零位；(1.2)操作控制计算机，控制纵向位移机构，使主动对接机构整体向前平移，直至到达能够与被动对接机构进行对接的位置；(1.3)松开被动对接机构的锁紧机构，调整其姿态，使其与主动对接机构对接在一起，锁定被动对接机构锁紧机构；(1.4)调节被动对接机构的刻度盘，使得刻度盘读数处于零位，然后锁定刻度盘，完成“找零”过程。进一步的，所述步骤2包括如下步骤：(2.1)操作控制计算机，控制纵向位移机构，将主动对接机构后退一定距离；(2.2)选定一组姿态角，调节被动对接机构的姿态到选定的姿态角，并锁定；(2.3)将选定的姿态角输入控制计算机，操作控制计算机计算轨迹，并通过计算机控制主动对接机构按照计算得到的轨迹运动到指定位置；(2.4)操作控制计算机，控制纵向位移机构，使主动对接机构整体向前平移，直到主动对接机构对接环贴合到被动对接结构对接环上；(2.5)操作控制计算机，给磁铁通电，将主动对接机构与被动对接机构吸和在一起。完成“对接过程”；(2.6)松开被动对接机构三个锁定旋钮并拔出纵向锁定插销；(2.7)操作控制计算机，控制Stewart平台，使各个作动杆都回到零位，同时主动对接机构会将被动对接机构拉回，完成“拉回过程”。进一步的，所述步骤3包括如下步骤：(3.1)手动锁定被动对接机构三轴姿态角；(3.2)操作控制计算机，电磁铁断电，磁铁吸附断开；(3.3)手动将被动对接机构复原，插回轴向锁定插销。有益效果：本专利技术的一种航天器空间对接地面操控实验系统及方法，相对于现有技术的优点在于：1.以一种地面演示的方式再现了太空中航天器对接的场本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种航天器空间对接地面操控实验系统，其特征在于，包括：/n主动对接机构和被动对接机构，以及纵向位移机构；/n主动对接机构连接到纵向位移机构，进行纵向位移，所述主动对接机构还包括有位姿调整机构，用于调整自身位姿；/n其中，所述主动对接机构和被动对接机构分别包括有对接环，两者利用对接环进行对接。/n

【技术特征摘要】
1.一种航天器空间对接地面操控实验系统，其特征在于，包括：
主动对接机构和被动对接机构，以及纵向位移机构；
主动对接机构连接到纵向位移机构，进行纵向位移，所述主动对接机构还包括有位姿调整机构，用于调整自身位姿；
其中，所述主动对接机构和被动对接机构分别包括有对接环，两者利用对接环进行对接。


2.根据权利要求1所述的一种航天器空间对接地面操控实验系统，其特征在于：
所述的主动对接机构包括Stewart平台，所述Stewart平台包括步进电机电推杆、下平台和主动对接机构对接环；主动对接机构保护罩将Stewart平台包裹在内；Stewart平台通过转接支架连接于纵向位移机构上。


3.根据权利要求1所述的一种航天器空间对接地面操控实验系统，其特征在于：
所述纵向位移机构包括步进电机、底座、导轨丝杠。


4.根据权利要求2所述的一种航天器空间对接地面操控实验系统，其特征在于：
所述电推杆包括衬套，衬套与Stewart平台下平台相连，并通过轴承与U形虎克铰相连；U形虎克铰通过销轴与电推杆结构相连；步进电机为电推杆的驱动电机，伸缩杆为电推杆的作动杆；伸缩杆通过球形关节轴承与球铰座相连接；球铰座与主动对接机构对接环相互连接。


5.根据权利要求2所述的一种航天器空间对接地面操控实验系统，其特征在于：
所述的被动对接机构包括：被动对接机构支架，连接于基座上，被动对接机构支架为中空结构，法兰轴下部伸在被动对接机构支架内部并通过铜圈配合，形成沿偏航方向的旋转自由度，法兰轴的上部通过法兰与轴承座相连；下刻度盘与被动对接机构支架固连，上刻度盘与法兰轴固连，两个刻度盘上刻有刻度，通过其相对位置读取偏航角度值；偏航锁定旋钮用来锁定偏航角度；轴承座和块轴通过两个轴承连接，形成俯仰方向的自由度，左刻度盘上刻有刻度并与块轴固连，左压盖与轴承座相连且也刻有刻度，通过左压盖和左刻度盘之间的刻度读取俯仰方向的旋转角度值，俯仰方向锁定旋钮将左刻度盘与轴承座的相对位置锁定，进而锁定俯仰方向自由度；主轴与块轴之间通过另一组轴承相连，形成滚转方向的自由度，前刻度盘刻有刻度并与主轴固连，通过与块轴之间的相对转动读取滚转方向的角度值，滚转方向自由度的锁定通过滚转方向锁定旋钮实现；主轴前段为中空结构并与弹簧轴配合，形成一个额外的平动自由度，并可通过锁定插销锁定/解锁；外壳底盖、外壳共同组成了被动对接机构的保护罩，被动对接机构对接环通过弹簧与弹簧轴相连；操作手柄与主轴相连。


6.根据权利要求1所述的一种航天器空间对接地面操控实验系统，其特征在于：
所述的对接环如下：主动对接机构对接环导向片固定在主动对接机构对接环结构上，电磁铁线圈固定在主动对接机构对接环结构上；被动对接机构对接环导向片固定在被动对接机构对接环结构上，吸附铁块固定在被动对接机构对接环结构上；对接环采用了“同构异体周边”式布局结构；在对接过程中被动对接机构对接...

【专利技术属性】
技术研发人员：边边，
申请(专利权)人：北京航宇振控科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：北京;11