一种基于电磁绳系的低轨试验站及其自组装方法与流程

本发明涉及航空航天，具体涉及一种基于电磁绳系的低轨试验站及其自组装方法。

背景技术：

1、在微重力环境下进行空间结构的在轨建造，是航天工程领域的重要发展方向。传统的空间结构的在轨组装主要采用模块化交会对接方式、机械臂辅助组装方式或者航天员舱外组装方式。模块化交会对接方式将试验站预制成多个独立的功能舱段，分次发射入轨后在轨交会对接，受限于运载火箭的运载能力和整流罩包络尺寸，单个舱段的尺寸和重量被严格限制，导致舱段结构设计复杂、制造成本高昂，机械臂辅助组装方式利用安装于空间站或飞船上的大型机械臂，抓取、搬运模块至预定位置完成对接。然而，机械臂本身技术复杂、控制难度大，其研制和维护成本高；同时，机械臂的刚性操作可能对在轨资产造成意外碰撞损坏，且机械臂的工作范围有限，难以覆盖大尺度结构的组装需求。由航天员进行舱外设备安装，由于舱外作业效率低、航天员面临较高的安全风险，导致操作成本极高，且受限于航天员在轨驻留时间，难以承担大规模的组装任务。

2、相关技术中，通过在模块上设置可控磁体，利用磁场的吸引与排斥实现模块之间的对接与分离。然而，电磁力随距离呈指数衰减，有效作用距离短，模块需漂移至较近距离才能产生有效吸引，难以实现模块间的远距离牵引；同时，纯磁力连接的承载能力有限，难以满足连接刚度和强度的要求。

技术实现思路

1、本发明提供了一种基于电磁绳系的低轨试验站及其自组装方法，以解决空间结构在轨组装依赖外部机械臂或航天员操作的问题。

2、第一方面，本发明提供了一种基于电磁绳系的低轨试验站，包括拼装组件，拼装组件包括：

3、数个拼装单元，数个拼装单元通过第一绳索串联连接，第一绳索缠绕于第一绳索收束器上；

4、磁控对接装置，相邻拼装单元的接触面上设置有磁控对接装置，磁控对接装置可选择地提供吸引力或排斥力；

5、拼装组件具有释放状态和收束状态：

6、在收束状态下，第一绳索收束器收束第一绳索，使各拼装单元沿第一绳索的牵引方向相互靠拢并相互抵靠接触，形成拼装结构，磁控对接装置的吸引力用于在收束状态下连接相邻的拼装单元；

7、在释放状态下，第一绳索处于松弛状态，数个拼装单元可相互分散运动，磁控对接装置的排斥力用于在释放状态下使相邻拼装单元充分分散；

8、其中，拼装组件在收束状态下形成的拼装结构构成低轨试验站的子结构或整体结构。

9、有益效果：本技术通过绳索收束实现拼装单元的自主牵引聚拢，无需依赖外部机械臂或航天员操作，在微重力环境下即可完成从分散单元到预定构型的全自动组装；同时，绳索牵引为各单元提供了明确的运动路径和靠拢顺序，避免了随机搜索式对接的不可控性，大幅提高了组装过程的确定性和成功率；此外，磁控对接装置在收束时提供吸引力以增强连接刚度，在释放时提供排斥力以辅助各单元均匀分散，既保证了结构稳定性，又实现了可逆拆解与重构。

10、在一种可选的实施方式中，低轨试验站包括多个子结构，相邻的子结构通过第二绳索连接，第二绳索缠绕于第二绳索收束器上，在第二绳索收束器收束第二绳索后，各子结构相互抵靠接触，形成整体结构。

11、有益效果：通过第二绳索在子结构层面实现二次牵引组合，形成了由拼装单元到子结构、再由子结构到整体结构的三级组装体系，将大规模结构的组装任务分解为多个相对独立、逐级完成的子任务，降低了每一级组装的复杂度；各子结构可分别独立制造、测试和收纳，提高了系统的模块化程度和任务灵活性。

12、在一种可选的实施方式中，低轨试验站的整体结构为中空的多面体结构，由数个本体形成为多边形的拼装单元拼接构成；

13、其中，拼装单元的拼接位置处设有翻边，翻边与本体呈角度布置，翻边上设置有穿绳导向孔和所述磁控对接装置。

14、有益效果：拼装单元采用平面板状构型，在发射阶段可以极高的体积填充率进行堆叠收纳，最大限度地利用了运载火箭的有效载荷舱容积；入轨后通过绳索收束导向以及翻边限位自动转变为具有内部空腔的三维立体结构，实现了“发射时二维高效堆叠、在轨后三维立体成型”的构型转换，以最低的发射成本获得最大的在轨可用空间。

15、在一种可选的实施方式中，第一绳索的第一端与拼装组件中的第一拼装单元连接，第一绳索以第一拼装单元为中心，沿第一拼装单元的周向，由径向内侧向径向外侧依次连接拼装组件中其余的拼装单元。

16、有益效果：绳索以中心单元为锚固点、沿周向由内向外逐层穿行，收束时各拼装单元按照与中心距离由近及远的次序依次就位，先就位的单元形成后续单元的定位基准，避免了外层单元先于内层单元到达位置而产生的路径干涉或位置冲突，确保了组装过程的有序性和精度。

17、在一种可选的实施方式中，低轨试验站的整体结构由两个呈半球体形状的子结构拼接而成，两个子结构通过可收束和释放的第二绳索连接；

18、低轨试验站具有拼装状态和堆叠收纳状态：

19、在拼装状态下，两个子结构对应的拼装组件均处于收束状态，且第二绳索处于收束状态以连接两个子结构；

20、在堆叠收纳状态下，两个子结构对应的拼装组件均处于释放状态，第二绳索处于松弛状态，两个子结构的拼装单元在串联方向上依次堆叠；

21、其中，第一绳索的第二端与第二拼装单元连接，第二绳索连接在两个子结构对应的第二拼装单元之间，在堆叠收纳状态下，两个子结构对应的第二拼装单元位于堆叠后的中心位置，两个子结构对应的第一拼装单元分别位于堆叠方向的两端。

22、有益效果：两个半球体子结构在堆叠收纳状态下以各自第二拼装单元相对的方式层叠，从中心向两端反向展开，运动路径和最终位置互不重叠或交叉，从物理层面排除了组装过程中的空间干涉可能性；两个子结构可并行执行展开操作而不相互干扰，大幅缩短了整体组装时间；第二绳索在堆叠收纳状态下所需长度仅为两个第二拼装单元之间的直接跨接长度，减轻了绳索系统重量，提高了发射安全性。

23、在一种可选的实施方式中，第二绳索交替穿过两个子结构对应的拼装单元，第二绳索至少穿过三个拼装单元上开设的穿绳导向孔，第二绳索在各拼装单元内的延伸方向不同。

24、有益效果：第二绳索在两个子结构之间形成多组交替往复的连接，多个连接点对两个子结构的相对位姿形成充分约束；绳索在各穿绳孔中的延伸方向不同，能够在不同方向上同时限制子结构的位移和转动自由度，确保对接过程中姿态精准、不错位。

25、在一种可选的实施方式中，构成半球体形状的拼装组件包括：通过第一绳索依次串联的一个正五边形单元、六个连续的正六边形单元，以及交替排列的五个正五边形单元和五个正六边形单元。

26、有益效果：正五边形与正六边形的排列顺序对应于半球体从顶点到边缘的几何展开顺序，绳索收束时各拼装单元按照从顶点到边缘的层次逐级就位，先就位的顶部单元形成后续边缘单元的定位基准，组装过程与半球体的几何构成顺序完全一致，组装确定性高、累积误差小。

27、在一种可选的实施方式中，第一绳索包括两条，两条第一绳索分别穿过同一拼装单元上不同位置的穿绳导向孔，且分别串联连接数个拼装单元。

28、有益效果：两条绳索各自独立地串联同一组拼装单元，使得拼装后姿态稳定，在其中一条绳索意外断裂或失效时，另一条绳索仍可独立完成全部牵引收束任务，确保了组装任务在单绳失效条件下的继续执行，大幅提高了太空组装任务的可靠性。

29、在一种可选的实施方式中，拼装组件沿串联方向的两端分别设置有一个第一绳索收束器，每条第一绳索的一端缠绕于对应端的第一绳索收束器上，另一端固定于拼装组件端部的拼装单元上。

30、有益效果：两个收束器中的任何一个均可独立完成全部拼装单元的牵引收束，实现了收束器级别的冗余备份；两个收束器协同工作时，牵引力从两端同时向中间传递，各拼装单元靠拢速度加倍、收束时间减半，且对称受力避免了单端牵引时因受力不均导致的位置累积偏差，提高了组装的同步性和位置精度。

31、第二方面，本发明还提供了一种低轨试验站的自组装方法，应用于上述的低轨试验站，包括以下步骤：

32、将所述拼装单元释放至微重力环境中；

33、启动所述第一绳索收束器收束所述第一绳索，牵引各拼装单元相互靠拢，直至各所述拼装单元相互抵靠接触，形成拼装结构；

34、在所述拼装单元相互抵靠接触后，启动设置于相邻拼装单元接触面上的磁控对接装置，提供相互吸引力以连接相邻的所述拼装单元。

35、有益效果：磁控对接装置的启动在绳索收束完成之后执行，对已由绳索定位的拼装单元进行二次紧固，绳索张力与磁力吸引力方向不同且相互补充，使拼装结构在承受来自不同方向的外部载荷时具有更高的抵抗能力；磁控对接装置无需承担远距离牵引和位姿校正功能，其尺寸、质量和功耗均显著减小。

36、在一种可选的实施方式中，所述低轨试验站包括多个由所述拼装组件形成的子结构，自组装方法还包括以下步骤：

37、在所述拼装组件完全切换至收束状态后，启动所述第二绳索收束器收束所述第二绳索，牵引各子结构相互靠拢，直至各所述子结构相互抵靠接触，形成所述低轨试验站的整体结构。

38、有益效果：第一绳索收束与第二绳索收束在时序上分离，避免了两个绳索系统在不同方向上的牵引力同时作用而产生的受力冲突；各子结构在第二绳索收束前已具备独立的结构完整性和力学刚度，能够作为一个整体承受后续收束操作中施加的载荷，确保了整体结构形成的稳定性和精度。