本發(fā)明屬于航天技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于空間對接的陀螺式能量轉(zhuǎn)換裝置及方法。

背景技術(shù)：

隨著航天領(lǐng)域科學(xué)研究的不斷深入，空間在軌的人類科學(xué)活動越發(fā)多樣性，太空開發(fā)應(yīng)用也越發(fā)頻繁，而空間交會對接技術(shù)是航天器完成空間在軌操作任務(wù)的基礎(chǔ)。半個多世紀(jì)以來，人類以交會對接技術(shù)為基礎(chǔ)完成了空間站建造、長期在軌駐留、載人登月和深空探測等復(fù)雜航天活動，成功進(jìn)行了三百多次有人或無人參與的空間交會對接任務(wù)，可以說空間交會對接技術(shù)己經(jīng)成為當(dāng)今和今后一段時期內(nèi)，進(jìn)行空間探索的一個關(guān)鍵問題。

在航天器之間交會對接的方案選擇上，一般較為成熟的或者已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的交會對接任務(wù)，大多基于合作目標(biāo)之間的交會對接，也就是在實(shí)現(xiàn)對接的最后階段，兩個航天器之間的相對速度較小或者無相對速度，而對于相對速度較大的兩個航天器之間的對接技術(shù)并不成熟。此外，在軌的非合作目標(biāo)一般具有較高的速度，實(shí)現(xiàn)與非合作目標(biāo)的交會對接的技術(shù)需要進(jìn)一步研究。

在相對速度較大的航天器之間或者與非合作目標(biāo)的交會對接中，為了消除與其較大的相對速度，現(xiàn)今技術(shù)中一般有兩種方法：一種方法是利用機(jī)動的方式，進(jìn)行速度匹配，使兩個航天器之間的相對速度減小，直到?jīng)]有相對運(yùn)動，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)交會對接。但是該方案的不足之處在于由于相對速度較大，在速度匹配的過程中會消耗很多能量，這樣降低了對接后航天器整體的機(jī)動能力。第二種方案是多使用摩擦力或其他非彈性力做功使得多余的能量以熱能形式耗散掉，一般是采用緩沖裝置，將動能吸收轉(zhuǎn)換為熱能。但是該方式也存在很多局限性，比如，在緩沖裝置的設(shè)計(jì)上會存在很多技術(shù)問題，如果速度太大可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)換能量裝置解體或者撞碎。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種在空間交會對接中實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的裝置，在對接過程中使用該裝置能夠有效的消除兩個航天器之間相對速度從而提高對接的成功率，尤其可以解決對空間非合作目標(biāo)的對接問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)手段：

一種用于空間對接的陀螺式能量轉(zhuǎn)換裝置，包括轉(zhuǎn)盤和繩索，所述的轉(zhuǎn)盤設(shè)置在本體航天器上且能夠繞軸旋轉(zhuǎn)；繩索的終端與轉(zhuǎn)盤的中軸線固定，將繩索纏繞在轉(zhuǎn)盤上，并且每一圈的纏繞半徑大小不一；通過旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤釋放繩索實(shí)現(xiàn)繩索、本體航天器先后與目標(biāo)航天器對接。

所述的繩索在轉(zhuǎn)盤上纏繞方式為由外到內(nèi)纏繞半徑依次減小。

所述的繩索壓縮盤繞在轉(zhuǎn)盤上。

所述的繩索采用可變長度的繩索纏繞在轉(zhuǎn)盤上。

一種采用權(quán)利要求1所述的用于空間對接的陀螺式能量轉(zhuǎn)換裝置的對接方法，陀螺式能量轉(zhuǎn)換裝置能夠用于兩個相對速度較大的航天器之間的交會對接，對接方法包括以下步驟：

轉(zhuǎn)盤先以一個較小的角速度起轉(zhuǎn)，當(dāng)其繞繩半徑較大時，通過快速釋放繩索，使轉(zhuǎn)盤外沿的線速度與目標(biāo)航天器的運(yùn)動速度相等，此時繩索與目標(biāo)航天器的相對線速度為零，在該相對速度下完成繩索與目標(biāo)航天器的對接；

隨著目標(biāo)航天器的繼續(xù)運(yùn)動，轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)使繩索的纏繞半徑變小，從而使目標(biāo)航天器減速的同時，轉(zhuǎn)盤的角動量不斷增大；當(dāng)本體航天器與目標(biāo)航天器的相對速度減小到可容許范圍內(nèi)時，通過轉(zhuǎn)盤的反向轉(zhuǎn)動帶動繩索的緩慢纏繞完成本體航天器與目標(biāo)航天器的對接。

通過繩索的壓縮盤繞或采用可變長度的繩索可以實(shí)現(xiàn)繩索盤繞等效半徑大于轉(zhuǎn)盤直徑。

繩索與目標(biāo)航天器的對接后，設(shè)目標(biāo)航天器保持靜止，則繩索的線速度計(jì)算公式為：

$v_r=\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}r=\frac{L_{z}r}{C+mr}$

其中，C為轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動慣量，L_z是系統(tǒng)總動量矩，r為繞繩半徑，為轉(zhuǎn)盤的角速度，m為目標(biāo)航天器的質(zhì)量。

相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的陀螺式能量轉(zhuǎn)換裝置具有以下有益效果：

本發(fā)明所提出的陀螺式能量轉(zhuǎn)換裝置由轉(zhuǎn)盤和繩索組成，通過旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤釋放繩索實(shí)現(xiàn)繩索、本體航天器先后與目標(biāo)航天器對接?？梢詫?shí)現(xiàn)兩個相對速度較大的航天器之間的交會對接，尤其是對空間非合作目標(biāo)的對接，該技術(shù)的發(fā)展將降低對于對接相對速度的要求，有利于快速在軌服務(wù)技術(shù)的發(fā)展。

本發(fā)明所提出的對接方法中，對接技術(shù)的核心，本體首先以一個較小的角速度起轉(zhuǎn)，通過快速釋放繩索，可以實(shí)現(xiàn)繩索部分與目標(biāo)航天器的相對線速度為零，在該相對速度下完成繩索與目標(biāo)航天器的對接。同樣地隨著目標(biāo)航天器的繼續(xù)運(yùn)動，目標(biāo)航天器減速的同時，轉(zhuǎn)盤與目標(biāo)航天器的相對速度減小到可容許范圍內(nèi)時，通過繩索的緩慢纏繞完成整個裝置與目標(biāo)航天器的對接。在于使用剛體的轉(zhuǎn)動動能將這部分多余的能量存儲起來，從而實(shí)現(xiàn)兩物體在空間的相對速度從一個較大的值平穩(wěn)過渡到足夠小的值的過程。避免了由于兩者間的相對速度較大，直接接觸會由于沖擊過大而損壞航天器的問題。該技術(shù)將實(shí)現(xiàn)空間飛行器之間動能的快速、高效傳遞，為未來空間飛行器的軌道控制方式開拓了一個新的研究方向。

進(jìn)一步，通過繩索的壓縮盤繞或采用可變長度的繩索可以實(shí)現(xiàn)與繞繩半徑等效的作用。轉(zhuǎn)盤的結(jié)構(gòu)半徑可以是一定的，而由繩索盤繞時的壓縮率控制等效半徑的變化。這在一定程度上解決了由繩索纏繞方式導(dǎo)致的制造工藝方面的困難。

【附圖說明】

圖1為陀螺式裝置與目標(biāo)航天器對接過程的示意圖；

圖2為陀螺式裝置通過繩索纏繞和釋放實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的基本原理示意圖；

圖3為繩索半徑的設(shè)計(jì)示意圖；

圖4為陀螺式裝置的轉(zhuǎn)角與半徑隨時間變化曲線實(shí)例圖；

圖5為陀螺式裝置的繩索設(shè)計(jì)實(shí)例圖；

圖6為繩索的壓縮盤繞示意圖。

其中，1為轉(zhuǎn)盤，2為繩索，3為目標(biāo)航天器。

【具體實(shí)施方式】

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述：

圖1為陀螺式裝置與目標(biāo)航天器對接過程的示意圖。在空間航天器進(jìn)行交會對接的過程中，將帶有陀螺裝置的航天器視為本體，需要對接的航天器作為目標(biāo)航天器3。該陀螺裝置作為本體用于交會對接的主體部分，該裝置由轉(zhuǎn)盤1和繩索2組成，其中轉(zhuǎn)盤1可以實(shí)現(xiàn)高速的旋轉(zhuǎn)；繩索2可以纏繞在轉(zhuǎn)盤1上，繩索的一個終端固定在轉(zhuǎn)盤1上；轉(zhuǎn)盤1和繩索2組成了陀螺式裝置的主體；3為目標(biāo)航天器。

從圖1可以看出，轉(zhuǎn)盤1以的角速度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，則對應(yīng)繩索的線速度v_r。轉(zhuǎn)盤1部分可以高速旋轉(zhuǎn)，而繩索2的終端固定在轉(zhuǎn)盤1部分的中軸線上，并且在旋轉(zhuǎn)開始時，繩索2纏繞在轉(zhuǎn)盤1上，并且每一圈的纏繞半徑大小不一，對接過程中可以通過旋轉(zhuǎn)釋放繩索2與目標(biāo)航天器3對接。該裝置可以實(shí)現(xiàn)兩個相對速度較大的航天器之間的交會對接。

圖2為陀螺式裝置通過繩索纏繞和釋放實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的基本原理示意圖。如圖2所示，一個質(zhì)量為M的陀螺式裝置在準(zhǔn)備與另一質(zhì)量為m的目標(biāo)航天器3對接。由于兩者間的相對速度較大，直接接觸會由于沖擊過大而損壞航天器的結(jié)構(gòu)。

故本體首先以一個較小的角速度起轉(zhuǎn)，由于繩索2的外圈纏繞半徑較大，通過快速釋放繩索，可以實(shí)現(xiàn)繩索部分1與目標(biāo)航天器3的相對線速度為零，在該相對速度下完成繩索2與目標(biāo)航天器3的對接。當(dāng)其繞繩半徑r較大時，可滿足轉(zhuǎn)盤1外沿的線速度與目標(biāo)航天器3的運(yùn)動速度相等。此時繩索2的另一終端在較小的相對速度下捕獲目標(biāo)航天器3。

隨著目標(biāo)航天器的繼續(xù)運(yùn)動，轉(zhuǎn)盤1的旋轉(zhuǎn)使繩索2的纏繞半徑變小，從而使目標(biāo)航天器3減速的同時，轉(zhuǎn)盤1的角動量不斷增大。當(dāng)該裝置與目標(biāo)航天器3的相對速度減小到可容許范圍內(nèi)時，通過繩索2的緩慢纏繞完成整個裝置與目標(biāo)航天器3的對接。當(dāng)目標(biāo)繼續(xù)前進(jìn)時，本體也繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，然后通過減小繩索2的軸半徑r來使目標(biāo)航天器3減速，此過程中該裝置的角動量越來越大。當(dāng)兩者的相對速度減到足夠小時，再將目標(biāo)航天器3慢慢收回與該裝置對接即可。

這里分析M＞＞m的情況下的動力學(xué)方程。

目標(biāo)航天器與該裝置對接后對該裝置的運(yùn)動狀態(tài)幾乎沒有影響，故設(shè)其始終保持靜止。則整個系統(tǒng)關(guān)于本體的中心點(diǎn)的動量矩守恒

$C\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}+m\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}r=L_z$

其中C為轉(zhuǎn)盤1的轉(zhuǎn)動慣量，L_z是系統(tǒng)總動量矩，兩者的值均為常數(shù)，由此可得

$v_r=\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}r=\frac{L_{z}r}{C+mr}$

通過減小r的方式，可以將相對速度降為零，且不需要改變該裝置的結(jié)構(gòu)，只需要提前確定繩索2在轉(zhuǎn)盤上的纏繞方式即可，即r是關(guān)于ψ的函數(shù)。另外，轉(zhuǎn)盤1的加速過程相比于減速過程擁有更大的穩(wěn)定性，可使系統(tǒng)的穩(wěn)定成本減小。

圖3為繩索2半徑的設(shè)計(jì)示意圖。若提前確定了將要對接的目標(biāo)航天器3的外形參數(shù)和繩索能承受的拉力大小，即可通過提前設(shè)計(jì)好系繩的盤繞形狀來實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的減速過程。因此，設(shè)繩索2受到的力為恒力，則目標(biāo)航天器3與該裝置接觸后作勻減速運(yùn)動，相對速度成線性變化。由前式可直接求得ψ(t)，然后利用角速度與半徑的關(guān)系ωr＝v_r進(jìn)一步求出r(t)。利用ψ與r的關(guān)系繪制極坐標(biāo)曲線，即可得到使相對速度線性減小的理論繞繩方法。

下面通過一個實(shí)例說明系繩盤繞的設(shè)計(jì)方法。

設(shè)對接條件為：目標(biāo)質(zhì)量m＝1000kg，初始相對速度v_r0＝10m/s，繩索標(biāo)稱拉力F＝1000N。

由計(jì)算公式可以看出，自轉(zhuǎn)角隨時間變化曲線為二次曲線，繞繩半徑隨時間變化曲線為雙曲線。圖4為陀螺式裝置的轉(zhuǎn)角與半徑隨時間變化曲線，圖5為陀螺式裝置的繩索設(shè)計(jì)圖樣。本例使用的陀螺式裝置轉(zhuǎn)盤的直徑最大為10m。計(jì)算可得，使用上圖所示的繞繩方法，可使目標(biāo)航天器3相對于該裝置的相對速度在10s內(nèi)從10m/s降至零，該裝置的自轉(zhuǎn)角速度從1rad/s增加至6rad/s。所需繩索長度(即減速過程中兩者相對位移)為50m。

事實(shí)上，轉(zhuǎn)盤1的結(jié)構(gòu)半徑并不需要如此之大來滿足10m的繞繩半徑的要求，通過繩索2的壓縮盤繞或采用可變長度的繩索可以實(shí)現(xiàn)與10m繞繩半徑等效的作用。

如圖6所示，為繩索的壓縮盤繞示意圖，繩索在轉(zhuǎn)盤繞繩軸上是壓縮盤繞的，但離開轉(zhuǎn)盤后在拉力作用下拉直，則在相對速度v_r作用下的等效半徑r_eq＝v_r/ω，顯然大于真實(shí)的結(jié)構(gòu)半徑。這意味著轉(zhuǎn)盤的結(jié)構(gòu)半徑可以是一定的，而由繩索盤繞時的壓縮率控制等效半徑的變化。這在一定程度上解決了由繩索纏繞方式導(dǎo)致的制造工藝方面的困難。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非對本發(fā)明作任何限制，凡是根據(jù)本發(fā)明技術(shù)實(shí)質(zhì)對以上實(shí)施例所作的任何簡單修改、變更以及等效結(jié)構(gòu)變化，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍內(nèi)。