展望航天发展，研制重型运载火箭已成为各国共识，运载能力的提升带来了箭体规模及推进剂加注量增加及供配气项目增多，对气液连接器进行组合已成为主要解决途径，但组合连接器的规模、质量相对现役连接器明显增大，且火箭、摆杆受风载影响大，已不可能通过传统人工方式完成对接任务。因此，开展重型运载火箭组合连接器的自动对接技术研究就显得尤为重要和迫切。
俄罗斯从20世纪60年代发生火箭爆炸事故后开始对连接器自动对接技术开展研究，旋风号、天顶号运载火箭采用锥杆-伞导向式自动对接机构完成了连接器与火箭间的自动对接与分离，该型火箭加注对接接口均位于箭体一级尾部，与连接器二者位置相对静止，对接难度较小[3-10]。
美国在连接器方面偏向于采用零秒脱落技术，仅部分连接器具备自动对接或自动化改造能力。前期在土星Ⅴ、宇宙神5、X-33等型号运载火箭/飞行器中开展了多种形式自动对接装置的研究[3]；2004年，肯尼迪航天中心、Rohwedder公司开发了远程智能脐带对接系统，可减少人为参与推进剂加注工作过程中潜在的危险，但目前尚无火箭发射的工程应用[4]；2007年，NASA提出“自动对接地面脐带连接器系统”研究计划，用于保持可靠性，并减少地面脐带连接的操作时间和投入人力[5]；2012年，肯尼迪航天中心针对战神Ⅰ研制了由内板、外板等组成的线性脐带对接锁紧机构[6]。
欧洲航天局的阿里安5在连接器操作方面的自动化程度较高，可实现组合连接器在总装厂房的对接及射前零秒脱落[7]。
国内，北京航天发射技术研究所长期从事运载火箭连接器对接技术的研究，在目标检测、对接锁紧机构、低温密封、自动分离等方面积累了宝贵的经验，研究了采用并联机构式自动对接系统的控制流程，对连接器自动对接技术特征进行了分类，并结合国内现役火箭总体技术特点提供了相关建议[7-8]。2019年起，以某型号火箭低温连接器为对象，开展了基于柔性直角坐标机器人的自动对接过程研究，进行了对接装置的动态特性仿真分析，并完成了自动对接、分离等试验验证[9-10]。此外，上海宇航系统工程研究所、南京理工大学、上海交通大学等单位对连接器自动对接技术中的机构运动学及动力学特性、SCARA机构、液压系统响应特性开展了研究[11-13]。
以解决未来重型运载火箭组合连接器的自动对接为目标，本文通过总体技术研究、自动对接策略分析，确定自动对接技术方案，并开展试验系统研制及验证等工作，为组合连接器自动对接技术未来型号应用提供了技术支撑。
1 自动对接技术 1.1 需求边界及技术难点 未来重型运载火箭气液组合连接器自动对接需求包括2类：①助推、芯一级等位于箭体尾部的自动对接，该类组合连接器与箭上接口相对静止，对接工况好，技术难度小；②芯二级等位于高空的自动对接，该类组合连接器与箭上接口受外界风载影响相对晃动，技术难度明显增加。因此，主要以高空类组合连接器自动对接技术开展研究，实现对其他部位、不同规格的连接器自动对接技术需求包络。
组合连接器自动对接技术应用部位参考图 1，火箭推进剂加注管、气管等经脐带塔铺设至火箭不同芯级对应的摆杆末端，通过组合连接器与箭上接口进行对接，实现推进剂加注或泄出火箭及箭上供气等功能。
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| 图 1 组合连接器自动对接技术应用部位 Fig. 1 Application site of composite umbilical connector's automatic docking technology |
| 图选项 |
通过对重型运载火箭自动对接技术的边界分析，归纳其难点主要有
1) 火箭、摆杆等大型结构规模明显增大，在外界风载作用下持续晃动范围、速度相对现役火箭大幅度增加，计算数据表明，高空箭上接口最大晃动范围、速度约为现役火箭的5~10倍，摆杆最大晃动范围、速度约为现役火箭的3倍。
2) 组合连接器对推进剂、供气连接器等进行了组合，规模、质量为现役常规连接器的5倍以上，质量预计达150~200 kg。
3) 推进剂加注过程中，火箭自身质量增加，箭上接口随火箭下沉。
4) 低温推进剂温度低，导致箭上接口局部结构变形及位置变化。
上述因素综合作用，明显增加了组合连接器自动对接技术的实施难度。
1.2 技术路线 参照某型号火箭人工完成连接器对接的步骤，分析制定了组合连接器自动对接技术路线，如图 2所示，通过高速检测、智能控制、大范围快速响应位姿调整技术代替人工对接过程中眼睛、大脑、手臂的作用，完成组合连接器与箭上接口的自动对接流程，并形成了由检测系统、智能控制系统、位姿调整系统等组成的组合连接器自动对接装置技术方案，其工作流程如下：
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| 图 2 组合连接器自动对接技术路线 Fig. 2 Automatic docking technical route of composite umbilical connector |
| 图选项 |
1) 检测系统实时获取连接器与箭上接口相对位姿偏差，并反馈至智能控制系统。
2) 智能控制系统根据反馈的相对位姿偏差信息，解算出位姿调整系统执行机构的控制量。
3) 位姿调整系统执行机构动作，对组合连接器的位姿进行实时调整，在实现与箭上接口的位姿一致后，插入完成对接。
4) 组合连接器与箭上接口锁紧，推进剂加注、供气。
5) 加注结束，组合连接器与箭上接口解锁、分离，准备发射。
1.3 关键技术 通过对1.2节技术方案及工作流程分析，应解决的关键技术包括：
1) 总体方案、策略、流程设计。自动对接装置涉及的边界包括火箭、摆杆、组合连接器等对象，使用工况包括一次对接与分离、异常情况推进剂需紧急泄出时的二次对接与分离等，边界、工况复杂，可靠性要求高，对总体方案、策略、流程的优化设计至关重要。
2) 大范围、高速晃动箭上接口位姿检测技术。对接过程火箭、摆杆、对接装置等均在相对持续高速运动，且存在低温、水汽、雾气等外界影响因素，对检测系统的性能、环境适应性等要求较高。
3) 动态目标跟随控制技术。智能控制系统在接收到各自由度位姿偏差后，如何快速解算输出位姿调整系统执行机构的控制量，对控制算法、硬件性能等方面提出了苛刻的要求。
4) 大范围快速响应位姿调整技术。位姿调整系统需将智能控制系统解算的控制量转化为组合连接器位姿的实时调整量，保持组合连接器与箭上接口位姿一致，是实现自动对接的重要环节，与传统的小载荷、多自由度静态位姿调整相比难度明显加大。
2 自动对接策略分析 从总体技术方案及工作流程出发，依次对检测、位姿调整、随动控制等环节进行策略分析、比较，如表 1所示。
表 1 自动对接策略分析 Table 1 Automatic docking strategy analysis
| 项目 | 策略 | 分析 |
| 检测环节 | ①非接触式检测：采用光学、激光等传感器 | 应用普遍、技术成熟、对箭体无附加载荷；但受外界雨、雪等环境影响 |
| ②接触式检测：对接装置、箭上接口设计机械定位结构 | 结构简单；但机械定位对箭体产生附加载荷 | |
| 位姿调整环节 | ①主动调整：同时调整3平动、3转动自由度 | 调整精度高；但动作多、过程复杂，控制难度大 |
| ②主动调整：同时调整3平动自由度，3转动自由度自适应调整 | 平动自由度调整精度较高，控制简单；但需设计转动自由度偏差自适应调整结构 | |
| ③被动调整：由对接装置、箭上接口机械定位 | 结构简单，无复杂控制，可靠性高；但对箭体产生附加载荷 | |
| 随动控制环节 | ①主动随动：连接器与箭上接口对接锁紧后，对接装置与连接器不分离，加注过程同步随动 | 实时控制、流程简单；但检测、控制系统长时间工作，可靠性要求高 |
| ②被动随动：连接器与箭上接口对接锁紧后，与对接装置分离，加注过程同步随动 | 降低检测、控制系统长时间工作可靠性要求；但需设计对接装置与连接器的解脱机构，自动分离时需进行二次对接 |
表选项
综上分析对比，从任务可靠性、优化流程等方面考虑，确定了一种组合连接器自动对接策略：非接触式检测+主动位姿调整(3平动自由度主动调整+3转动自由度自适应调整)+被动随动。
3 自动对接系统研制 为验证由检测系统、智能控制系统、位姿调整系统等组成的组合连接器自动对接装置技术方案及策略，研制并搭建了组合连接器自动对接试验系统，包括自动对接装置、组合连接器等。同时研制了模拟火箭及箭上接口在风载等外界条件作用下的随机晃动的运动台，如图 3所示。
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| 1—自动对接装置；2—组合连接器；3—箭上接口；4—箭体模拟运动台。 图 3 组合连接器自动对接试验系统实物 Fig. 3 Practical experimental automatic docking system of composite umbilical connector |
| 图选项 |
3.1 自动对接装置 自动对接装置主要检测系统、控制系统、位姿调整系统等组成。
1) 检测系统
检测系统由高速数字相机、图像采集与数据处理控制器、靶标、照明光源等组成，其中，高速数字相机、靶标分别安装在自动对接装置及模拟箭体上，代表了组合连接器及箭上接口的位置基准。主要工作原理如下：
① 采用基于模板匹配算法，相机对靶标上的目标点进行成像，根据其在像面中的像坐标确定三维空间中其相对于相机所定义坐标系的位置。
② 对靶标的多个特征点进行成像，即计算出该靶标在相机所确定坐标系的位置。
③ 对测量数据通信采用优先发送策略及多线程异步工作模式，高速输出至智能控制系统。
2) 智能控制系统
智能控制系统由上位机、下位机、交流伺服驱动器、交流伺服电机、限位开关、电磁阀等组成，系统原理如图 4所示，其中下位机采用了基于xPC内核的SpeedGoat快速原型机，控制周期可达1 ms，以满足自动对接装置快速响应位置调整实时控制的要求。上位机接收用户发送的对接指令并发送给下位机，由下位机接收指令后，根据检测系统反馈的位置偏差信息控制各轴伺服驱动器驱动交流伺服电机动作，实现自动对接装置各向的位置调整。
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| 图 4 智能控制系统原理框图 Fig. 4 Schematic diagram of smart control system |
| 图选项 |
自动对接装置位置调整控制采用各轴交流伺服电机的速度环PID闭环控制模式，如式(1)所示：
 | (1) |
式中: V(n)为第n时刻电机转速，r/min；e(n)、e(n-1)分别为第n、n-1时刻实时位置偏差，mm；Kp、Ki、Kd分别为PID控制器比例、积分、微分系数[14-15]。
同时，结合箭上接口大范围、高速运动的特点，对组合连接器的跟踪运动控制策略进行设计：
① 对接前，逐步、稳定减少组合连接器与箭上接口间的位置偏差，逼近对接精度要求范围。
② 对接过程中，持续进行组合连接器的高响应、稳定的位置跟踪调整，保持与箭上接口的位置偏差满足对接精度要求。
③ 对接后，对接装置应快速复位，避免对组合连接器与箭上接口被动随动过程的影响。
因此，设计了分段式PID控制策略，根据对接过程不同阶段、不同位置偏差自动调整控制器中比例、积分、微分参数，以获得不同的跟踪响应特性。
3) 位姿调整系统
根据自动对接策略要求，位姿调整系统设计为位置调整机构及夹持机构2部分。位置调整机构用于对组合连接器进行三平动自由度调整，由底座、升降座、横移座、进退座等组成，各向均采用滚珠丝杠副传动及滚动直线导轨导向形式。夹持机构用于实现对组合连接器初始定位及对接过程中三转动自由度自适应调整，主要由多组三向布置的气缸组成。
自动对接装置主要设计技术指标如表 2所示。
表 2 自动对接装置主要设计技术指标 Table 2 Main technical parameters of automatic docking equipment
| 指标 | 数值 |
| 检测距离/mm | 400~2 000 |
| 检测精度/mm | 0.5~3 |
| 检测频率/Hz | 200 |
| 综合跟踪范围/mm | ±600 |
| 综合跟踪速度/(mm·s-1) | ±725 |
| 综合跟踪误差/mm | 不大于±30 |
| 承载能力/kg | 150 |
| 整机质量/kg | 750 |
表选项
3.2 组合连接器 组合连接器包括组合板、低温连接器、供气插头、导向杆、锁紧缸、框架等。其中，导向杆用于与箭上接口的锥形导向伞配合，实现小范围偏差自适应导向功能，锁紧缸用于完成组合连接器与箭上接口间的锁紧，外框与夹持机构配合，实现组合连接器初始位置定位及对接过程中位姿偏差自适应调整功能。主要技术参数为：1路低温连接器+8路供气气路，质量约150 kg，对接面规格800 mm×800 mm，偏差适应能力±30 mm。
4 试验过程及结果分析 4.1 试验过程 完成第3节组合连接器自动对接试验系统调试工作后，通过改变箭体模拟运动规律(幅值、频率)，开展了一系列边界测试试验及自动对接、低温加注、自动分离全流程验证工作。试验过程如图 5所示。
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| 图 5 自动对接试验过程 Fig. 5 Experimental automatic docking process |
| 图选项 |
4.2 结果分析 自动对接装置在自动对接过程中各项功能正常，自动对接策略准确、可行，检测系统实时获取组合连接器相对箭上接口的三向位置偏差，经智能控制系统解算将控制量输出至位姿调整系统的执行电机，实现组合连接器对箭上接口的跟踪随动；夹持机构正常实现了对组合连接器初始位姿的定位功能，并在组合连接器插入箭上接口过程中，实现了二者小范围位姿偏差下的自适应调整；组合连接器锁紧、解锁等功能正常；自动对接、低温加注、自动分离等全流程试验成功。
通过边界测试，该自动对接装置对箭上目标的综合跟踪范围达±600 mm，综合跟踪速度达500 mm/s，各种综合工况下完成自动对接时间约为3~5 min。
此外，分析了箭体运动的范围、频率对自动对接流程、策略的影响规律，结果表明，自动对接精度随运动速度(范围、频率综合作用)的增加而降低，箭体运动速度为150 mm/s、300 mm/s、450 mm/s时，对应的对接精度分别约为±5.5 mm、±11.2 mm、±16.7 mm，基本呈现线性增加的特点，也与本文中采取的分段PID控制策略相一致。
5 结论 1) 组合连接器自动对接技术能为未来重型运载火箭提高发射准备流程安全性、实现发射场射前无人值守等需求提供解决方案。
2) 通过对自动对接技术研究、策略分析，形成了组合连接器自动对接技术路线，以及由检测、智能控制及位姿调整系统组成的技术方案，并确定了非接触式检测+主动位姿调整+被动随动的自动对接策略。
3) 开展了组合连接器自动对接试验系统研制及验证工作，结果表明，自动对接装置检测、智能控制、位姿调整等各项功能正常，自动对接策略准确、可行，自动对接装置综合跟踪范围达±600 mm，综合跟踪速度达500 mm/s，各种综合工况下完成自动对接时间约3~5 min，成功完成了自动对接、低温加注、自动分离全流程试验验证，为未来重型运载火箭组合连接器自动对接应用提供了技术支撑。
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