[发明专利]一种非接触式模块化航天器在轨对接方法及实施此方法的模拟装置

说明书

技术领域

本发明涉及非接触模块化航天器在轨对接方法及实施此方法的模拟装置，具体利用第II类高温超导体与电磁铁的磁通钉扎效应形成的非接触对接钉扎接口，可方便灵活实现了模块化航天器的在轨对接过程，此方法为大型航天器的在轨装配设计提供了新的对接实现手段。 

技术背景

随着深空探索的深入，构建大型航天器成为必然，而运载箭的载荷是有限的，利用模块化航天器在轨对接成为构建空间站的一种重要方式。目前采取的对接方法有中心对接机构、周边对接机构和停靠机构，而传统对接方式都有自身的局限性。中心对接机构具有承受较大的冲击载荷特点；周边对接机构要求的横向偏差与角度较小，要求控制系统性能更高；而停靠系统则需要较为复杂的机械臂系统和精确的控制系统；同时传统对接方法一般还存在对接速度较低，在对接过程中需要复杂精细的反馈控制，且存在着碰撞的风险。因此进一步研究和探讨新型对接机构具有重要意义。 

基于磁通钉扎效应非接触在轨对接方法利用了第II类高温超导体在超导态时与某一范围磁场间捕获磁力线的特性，形成结构简单的钉扎对接接口，该接口具有特殊的被动稳定和非接触的特点，既能准确的定向和定位，又能克服潜在的碰撞。同时该方法通过控制电磁铁的通电电流的大小和方向改变钉扎对接接口来完成最终对接的过程。由此可见，设想的非接触在轨对接方法为模块化航天器在轨对接提供了一种新的对接思路，在航天器对接上具有潜在广阔的应用前景。 

发明内容

本发明的目的是提供一种基于磁通钉扎效应的非接触模块化航天器在轨对接新方法，这是一种利用第II类高温超导体在超导态时与磁场间的相互作用而形成非接触连接方式，此连接形式具有足够高的刚度和阻尼，且不需要主动的反馈控制就能稳定保持对接模块间的相对方向和位置。 

根据提出的对接方法--基于磁通钉扎效应非接触模块化航天器对接，构建了模拟对接装置，模拟装置由单片机AT89S52控制系统进行总体顺序控制，控制电机丝杆螺母副、液体的通断和电磁铁的通断电来实现对接的整个过程。基本步骤为首先设定高温超导体7和电磁铁 A9间的非接触连接轴向距离，之后给电磁铁A9通电，之后冷却高温超导体，之后利用传统推进器的大距离转移作用使两模块航天器进入磁通钉扎作用的有效范围之内，之后给电磁铁B20上电，完成超导模块航天器27和电磁铁模块航天器28的对接过程，最终实现两模块航天器非接触连接。 

根据本发明，在整个对接过程中，设定预期的非接触连接轴向距离是通过电机丝杆螺母副来改变高温超导体7和电磁铁A9的距离来实现的，而此对接方法的巧妙之处在于高温超导体则由常用双组元传统液体推进器的液氢替代常用的液氮冷却剂来降温使高温超导体处于超导态，采用这种方式既可减少了增加液氮瓶的必要和充分利用传统推进器的成熟技术，又能使高温超导体极大低于临界温度(YBCO超导体临界温度为92K，液氮温度为77K，液氢温度为20K)，产生深冷效果，使高温超导体7的磁通钉扎能力进一步提高，从而使得超导模块航天器27和电磁铁模块航天器28的非接触连接刚度进一步增强。 

根据本发明，在完成场冷高温超导体实现设定的被动稳定平衡位置之后，电磁铁A9断电，其与高温超导体7之间的作用消失，缩回电磁铁A9时将不再影响高温超导体7内部钉扎的磁力线分布，从此保持设定好的钉扎平衡位置；而缩回电磁铁A9的目的是为电磁铁模块航天器的电磁铁B20处于设定的平衡位置腾出空间。 

根据本发明，充分利用了传统推进器系统采用的挤压式输送系统，具有结构比较简单，能重复启动和终止传统推进器的特点。 

根据本发明，利用了磁场容易通过改变电磁铁通电电流的大小和方向控制的特点与两个完全相同电磁铁A9和B20磁场的替代性，巧妙实现了设定的预期对接连接。 

本发明利用高温超导体与电磁铁的磁通钉扎效应实现了非接触模块化航天器对接的过程，具有控制简单、接口模块化、被动稳定、非接触和无碰撞的特点。并且通过电机丝杆螺母副改变预设的平衡位置和改变电磁铁B20的电流大小可实现不同距离的非接触连接形式。另外，通过改变电磁铁B20的电流方向和通断电很容易实现两模块航天器的连接和重构。 

附图说明

图1是非接触连接刚度曲线； 

图2是超导模块航天器的结构示意图； 

图3是电磁铁模块航天器的结构示意图； 

图4是模拟对接结构非接触连接的示意图； 

图5是对接过程控制流程图。 

具体实施方式