專利名稱：在軌航天器的柔性自適應(yīng)對(duì)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(yīng)對(duì)接器，該種柔性自適應(yīng)對(duì) 接器的對(duì)接方式及其過程基于電流變彈性膠體的機(jī)電耦合性以及壓電復(fù)合材料的壓電效 應(yīng)所設(shè)計(jì)，且因其柔性的自適應(yīng)閉環(huán)控制克服了傳統(tǒng)對(duì)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(dāng)今世界高科技群體中對(duì)科學(xué)探索，技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展 最具影響的科學(xué)技術(shù)之一。21世紀(jì)，空間技術(shù)對(duì)國(guó)家安全與繁榮的重要性更加突出，世界各 國(guó)在空間的競(jìng)爭(zhēng)更加激烈，從而有力地推動(dòng)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(zhǎng)足的進(jìn)步，但是傳統(tǒng)思路下的航天器研制、發(fā)射的周期長(zhǎng)，風(fēng)險(xiǎn)高，費(fèi) 用高等因素仍然制約著空間技術(shù)應(yīng)用的范圍和效益。從目前來看，模塊化的可重復(fù)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(guó)“軌道快車”計(jì)劃為背景提出了一種模塊之間柔性自適應(yīng)的對(duì)接器。 2007年3月8日美國(guó)發(fā)射了名為“軌道快車”計(jì)劃的兩顆航天器，其中一顆被稱為“空間自 動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人”Astro (Autonomous Space Transfer & Robotic Orbital Server)也稱“月艮 務(wù)航天器”的航天器帶有靈活的機(jī)械臂，可以用于完成目標(biāo)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(biāo)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(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的自主對(duì)接和 在軌服務(wù)。太空中處于高速運(yùn)行狀態(tài)的模塊化航天器在因燃料補(bǔ)給、部件更換或其所執(zhí)行 任務(wù)的改變而需對(duì)模塊化組裝的航天器系統(tǒng)進(jìn)行重新組合或模塊更換，在此過程中航天器 之間的對(duì)接方法及對(duì)接方式對(duì)航天器系統(tǒng)的重構(gòu)極為重要。發(fā)明內(nèi)容針對(duì)在軌服務(wù)技術(shù)中模塊化航天器之間須在復(fù)雜的太空環(huán)境高速運(yùn) 行下進(jìn)行對(duì)接，為避免航天器因硬性的機(jī)械對(duì)接產(chǎn)生的無規(guī)振蕩和碰撞而引起的風(fēng)險(xiǎn)，本 發(fā)明提出了一種柔性自適應(yīng)的智能對(duì)接器。這種柔性自適應(yīng)對(duì)接器的智能對(duì)接方式是利用電流變彈性膠體的機(jī)電耦合性以 及壓電復(fù)合材料的壓電效應(yīng)所設(shè)計(jì)。壓電效應(yīng)的原理是對(duì)壓電材料施加壓力，它便會(huì)產(chǎn)生 電位差，且電位差的大小與施加的應(yīng)力大小成正比。電流變彈性膠體的機(jī)電耦合性，隨著外 加電場(chǎng)E的增強(qiáng)，在場(chǎng)域中產(chǎn)生的誘導(dǎo)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(dāng)?shù)牟牧贤ㄟ^一定的電氣連接而成的柔性自適應(yīng)接口，相比于傳統(tǒng)的方 式，該種接口不僅避免了以往對(duì)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(yīng)省去了復(fù)雜的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和機(jī)械響應(yīng)系統(tǒng)。


圖1美國(guó)“軌道快車”計(jì)劃交會(huì)對(duì)接三維結(jié)構(gòu)示意2柔性自適應(yīng)交會(huì)對(duì)接接口主視3柔性自適應(yīng)對(duì)接器接口中被動(dòng)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(chǎng)的變化圖5柔性自適應(yīng)交會(huì)對(duì)接過程被動(dòng)捕獲系統(tǒng)受力示意圖具體實(shí)施方式
如附圖1所示太空中處于高速運(yùn)行狀態(tài)的模塊化航天器因燃料 補(bǔ)給、部件更換或任務(wù)變化需進(jìn)行在軌服務(wù)，為了確保在軌服務(wù)的順利進(jìn)行，需使ASTRO和 NEXTSat之間保持相對(duì)靜止，因此需要在復(fù)雜的太空環(huán)境中安全、可靠的完成處于高速運(yùn)動(dòng) 狀態(tài)的兩物體之間的自主交會(huì)對(duì)接。如附圖1所示，圖左為“空間自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人”即“服務(wù)航天器”(Astro) 1，其上帶 有靈活自由的機(jī)械臂(Robotic Arm)3，其可以用于完成目標(biāo)衛(wèi)星的捕捉和加注燃料，更換 模塊等操作；圖右為“目標(biāo)航天器”(NextSat)2。如附圖2所示，在自主交會(huì)對(duì)接最終對(duì)接階段時(shí)，采用圖像制導(dǎo)和激光制導(dǎo)。航天 器之間對(duì)齊對(duì)接面，調(diào)整速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)，當(dāng)目標(biāo)航天器2進(jìn)入機(jī)械臂3的工作范圍后，將 充分發(fā)揮自由機(jī)械臂3的作用，目標(biāo)航天器在機(jī)械臂3的夾持下，主動(dòng)捕獲臂3以一定速 度、角度進(jìn)入被動(dòng)捕獲系統(tǒng)4。如附圖3所示，由于服務(wù)航天器和目標(biāo)航天器均在做高速的運(yùn)動(dòng)，主動(dòng)捕獲臂在 對(duì)接的過程中必然在被動(dòng)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(hù)，一定力度內(nèi)的撞擊并不會(huì)對(duì)機(jī)體產(chǎn)生破壞，當(dāng)捕獲臂在自主導(dǎo)航下，深 入一定距離時(shí)，捕獲臂接觸到鑲嵌在內(nèi)部的壓電復(fù)合材料2時(shí)，壓電復(fù)合材料2由于受到擠 壓形變而產(chǎn)生相應(yīng)的電壓，激勵(lì)電流變彈性膠體工作，從而形成自適應(yīng)對(duì)接。實(shí)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(fù)合制備0-3型壓電復(fù)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(dāng)陶瓷粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)80wt%時(shí)，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(fù)合膠體，當(dāng)鈦酸鋇 (BaTiO3)顆粒濃度為1. 5wt%，在E = lKV/mm的凝膠電場(chǎng)(制備過程中的電場(chǎng)強(qiáng)度)得到 的復(fù)合膠體，其壓縮模量隨外加電場(chǎng)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(fù)合材料的壓電活性常數(shù))，E =S/d(且在對(duì)接過程的不斷進(jìn)行中，E隨S增大而迅速變強(qiáng))。產(chǎn)生的強(qiáng)電場(chǎng)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(qiáng)，在場(chǎng)域中產(chǎn)生的誘導(dǎo)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(duì)捕獲臂產(chǎn)生剪切力(如圖，在壓縮模量增長(zhǎng)到一定程度時(shí)產(chǎn)生 足夠的剪切力使服務(wù)航天器和目標(biāo)航天器保持相對(duì)靜止，最終以智能的自耦合的形式完成 交會(huì)對(duì)接過程。
權(quán)利要求
1.一種在軌航天器的柔性自適應(yīng)對(duì)接器，其組成包括被動(dòng)捕獲系統(tǒng)以及主動(dòng)捕獲臂， 其主要特征是，在剛性外殼結(jié)構(gòu)制成的被動(dòng)捕獲系統(tǒng)內(nèi)壁，部分鑲嵌電流變彈性膠體，部分 設(shè)置壓電復(fù)合材料。
2.如權(quán)利要求1所述在軌航天器的柔性自適應(yīng)對(duì)接器，剛性外殼結(jié)構(gòu)內(nèi)部為空，壓電 復(fù)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(yīng)對(duì)接器，鑲嵌在被動(dòng)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(fù)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(chǎng)強(qiáng)度得到復(fù)合膠體，當(dāng)測(cè)試 電場(chǎng)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(yīng)對(duì)接器，加載在被動(dòng)捕獲系統(tǒng)內(nèi)壁內(nèi)部 的壓電復(fù)合材料，選用由PZT-PZN(壓電陶瓷粉末)與PVDF (壓電聚合物)復(fù)合制備0-3型 壓電復(fù)合材料，陶瓷粉末質(zhì)量分?jǐn)?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(yīng)對(duì)接器，主動(dòng)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(yīng)對(duì)接器，該種柔性自適應(yīng)對(duì)接器對(duì)接過程基于被動(dòng)捕獲系統(tǒng)內(nèi)壁內(nèi)部電流變彈性膠體的機(jī)電耦合性以及壓電復(fù)合材料的壓電效應(yīng)所設(shè)計(jì)。選擇恰當(dāng)?shù)牟牧贤ㄟ^一定的電氣連接而成的柔性自適應(yīng)接口，通過柔性的自適應(yīng)耦合對(duì)接避免了傳統(tǒng)對(duì)接過程中的硬性碰撞和無規(guī)振蕩所帶來的問題和風(fēng)險(xiǎn)，且因其智能的閉環(huán)響應(yīng)省去了復(fù)雜的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和機(jī)械響應(yīng)系統(tǒng)。
文檔編號(hào)B64G1/64GK102107738SQ20091025447
公開日2011年6月29日 申請(qǐng)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(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)