MASI在轨服务捕获模块的设计与优化

《Acta Astronautica》：Design and optimization of MASI On-Orbit Servicing capture module

在轨服务中，模块化异体对接接口MASI通过三钳机构实现安全对接与载荷传递，经结构优化和原型测试验证其兼容MICE标准接口及自身模块，支持数据、电力、流体传输，性能与HOTDOCK等现有系统相当。

　　

朱塞佩·文图拉（Giuseppe Ventura）|弗朗切斯科·布兰兹（Francesco Branz）|安德烈亚·瓦尔莫尔比达（Andrea Valmorbida）|亚历山德罗·弗朗切斯科尼（Alessandro Francesconi）

帕多瓦大学“G. 哥伦布”空间研究与活动中心（CISAS），意大利帕多瓦，邮编35131

摘要

随着对可持续和灵活的空间操作需求的增加，人们对在轨服务技术（On-Orbit Servicing）的兴趣也在提升。这些任务的核心要素是开发标准的机器人接口，以确保安全的对接、结构载荷传递，以及在必要时传递数据、电能、热能和流体等资源。本文介绍了模块化雌雄通用标准接口（MASI）捕获模块的设计与优化。MASI是一种对接和停靠接口，它与寿命终结时的机械捕获接口（MICE）兼容，当与另一个MASI结合使用时，能够扩展数据、电能和流体的传输能力。MASI的捕获模块通过一个由丝杠驱动的三夹具机构来实现对接。本文提出了一种创新的图形化设计方法，以确保该机构符合功能要求。此外，还进行了结构优化和分析，以在满足ECSS标准的同时最小化质量。一个原型在六足平台上进行了不同的平移和角度错位条件下的测试，证明了MASI捕获目标接口并满足定义要求的能力。本研究将MASI视为首个能够与MICE（另一种现有系统）协同工作的雌雄通用接口，并且其性能与其他机器人接口（如HOTDOCK、SIROM和ISSI）相当。

引言

过去几十年来，空间活动的发展揭示了当前航天器设计中的重要局限性。大多数卫星都是为特定任务量身定制的，对新需求或在轨修改的灵活性很低[1]。当出现异常或技术过时时，通常只能选择提前退役，这会增加成本并产生空间碎片。一种可能的解决方案是在轨服务（OOS），即由专门的航天器（称为服务器）对另一艘航天器（称为目标航天器）进行检查、加油、轨道变更、维修或升级[2]。OOS可以延长卫星的寿命，降低任务失败的风险，提高性能，并降低进入太空的成本。同时，它还有助于通过减少轨道上的非活动卫星数量来维护轨道环境的可持续性。

为了执行OOS任务，需要在服务器和目标航天器之间建立安全的物理连接。这些操作通常被归类为对接或停靠，具体取决于是否使用机械臂。在这两种情况下，连接都是通过特定的接口实现的，该接口必须能够传递载荷，在某些情况下还可以传递流体、电能或热能以及数据。

最早的重要的在轨捕获演示之一是由DARPA资助的Orbital Express任务[3] [4]。该任务在轨道上验证了自主服务的可行性，包括无需人工干预的加油和组件更换。捕获系统由一个主动单元和一个被动单元组成。主动单元通过丝杠系统连接三个夹具，这三个夹具围绕被动结构闭合以实现捕获。这种架构既支持柔性捕获，也支持刚性对接，并通过集成连接器实现电能和流体的传输。该系统设计可容忍俯仰、偏航和滚转方向的最大错位角度为$\pm 5$度，横向偏移量为$\pm 5$厘米，轴向距离为15厘米。

随后，开发了几种模块化和雌雄通用的对接接口，如HOTDOCK、SIROM和ISSI[5]。

HOTDOCK[6]是一种模块化和雌雄通用的接口，能够传递机械载荷以及数据、电能和热能、燃料。主动接口由一个电动机驱动，该电动机将一组球体压在对方接口的互补表面上，形成牢固可靠的连接。标准机器人操作接口（SIROM）[7]也是一种模块化和雌雄通用的接口，可以传递机械载荷、数据、电能和热能以及燃料。对接机制利用三个以120度对称排列的钛制钩子，与对方接口上的三个凹槽相接。智能空间系统接口（iSSI）[8]是在智能在轨卫星服务构建模块（iBOSS）项目中开发的模块化和雌雄通用接口，用于传递机械载荷、电能、热能和数据。iSSI的捕获机制基于由电动机驱动的卡口系统。该接口还集成了径向对齐销，以确保预定位并防止不必要的相对旋转。这些销由驱动卡口机制的同一电动机激活。表1总结了成功完成对接操作的最大错位范围以及接口对接后可以传递的载荷。

另一方面，欧洲航天局（ESA）支持了寿命终结时的机械捕获接口（MICE）和主动碎片清除用捕获载荷舱（CAT）的开发，以支持未来的主动碎片清除（ADR）和在轨服务任务[9]。MICE是一个被动组件，由不锈钢制成，达到TRL 7等级认证。它可以承受高达850牛顿（N）的轴向力和180牛顿米（Nm）的扭矩。CAT是一个主动捕获舱，设计用于通过与安装在客户卫星上的MICE配合来实现捕获。该机器人组件基于六足机构，配备与MICE兼容的夹持器，支持柔性捕获和最终刚性对接。

虽然HOTDOCK、SIROM和ISSI等接口能够传递机械载荷以及电能、热能、数据和流体，但MICE主要是为ADR开发的，仅提供一个被动捕获点。另一方面，MICE通过提供一个简单的被动接口，满足了标准化的需求，适用于下一代地球观测卫星。为了提供一个结合标准化和扩展功能的解决方案，设计了MASI（模块化雌雄通用标准接口）[10]。实际上，MASI可以与配备另一个MASI或标准MICE接口的目标卫星建立连接，确保与ESA未来任务的互操作性。使用MICE时，MASI作为兼容的捕获工具；而与另一个MASI结合使用时，它还可以传递电能、热能和流体。与需要六足机构才能运行的CAT系统不同，MASI也被设计为可以作为机械臂的末端执行器使用。这一特性使MASI在OOS场景中具有更大的灵活性。

本文介绍了MASI捕获模块的设计与优化。第2节详细介绍了MASI的架构、三个子系统及其功能要求。第3节详细描述了捕获模块的建模，包括运动学和结构尺寸。第4节报告了实验设置和测试结果。第5节总结了工作内容，讨论了局限性并展望了系统的未来发展。

部分摘录

系统概述

如图1所示，模块化雌雄通用标准接口（MASI）由三个主要子系统组成：灰色部分的捕获模块、绿色部分的资源传递模块以及蓝色部分的对准模块。

捕获模块系统建模

测试和实验设置

为了评估捕获模块在存在错位情况下执行对接操作的能力，主要使用熔融沉积建模（FDM）技术制造了图13所示的原型。

未使用FDM制造的组件包括衬套、Seeger环、丝杠系统、电动机、波纹管接头和螺杆轴承。电动机、轴承和丝杠被替换为等效部件，但这些替换并未影响

结论

本文介绍了MASI捕获模块详细设计的第一个阶段。所采用的设计表明，该系统整合了在航天领域具有丰富经验的技术，从而保证了其预期的可靠性。在建模阶段引入了一种创新的方法来确定夹具驱动机构的特征尺寸，并通过实验测试进行了验证。这种创新方法减少了设计迭代次数，可以应用于

CRediT作者贡献声明

朱塞佩·文图拉（Giuseppe Ventura）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，验证，方法论，形式分析，数据整理，概念化。弗朗切斯科·布兰兹（Francesco Branz）：撰写 – 审稿与编辑，监督。安德烈亚·瓦尔莫尔比达（Andrea Valmorbida）：撰写 – 审稿与编辑，监督。亚历山德罗·弗朗切斯科尼（Alessandro Francesconi）：监督。

未引用的参考文献

[16], [17]

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢Thales Alenia Space通过监督、提供资金和必要的测试基础设施来支持这项研究。本研究由欧盟 – NextGenerationEU, Mission 4 Component 2 [CUP C96E22000160005]资助。