空間非合作目標(biāo)物柔性捕獲技術(shù)進(jìn)展

郭吉豐，王 班,2，譚春林，劉永健，孫國(guó)鵬

(1. 浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，杭州 310027；2. 杭州電子科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，杭州 310018；3. 北京空間飛行器設(shè)計(jì)總體部，北京 100094)

0 引 言

在軌服務(wù)系統(tǒng)的目標(biāo)航天器一般分為合作目標(biāo)和非合作目標(biāo)。合作目標(biāo)經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)具有與服務(wù)航天器相適應(yīng)的結(jié)構(gòu)組件、信標(biāo)或?qū)訖C(jī)構(gòu)，而非合作目標(biāo)則與服務(wù)航天器間無(wú)相應(yīng)適配機(jī)制，如空間碎片、廢棄衛(wèi)星以及敵方衛(wèi)星等均屬于此類?？臻g非合作目標(biāo)在軌服務(wù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度要遠(yuǎn)大于合作目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)難度，然而，目前大多數(shù)的客戶系統(tǒng)均為未經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)的，因而非合作目標(biāo)在軌服務(wù)技術(shù)是亟待解決的難題，而非合作目標(biāo)物的捕獲技術(shù)則是實(shí)現(xiàn)在軌服務(wù)的重要前提之一。

空間機(jī)器人技術(shù)的逐漸成熟使得剛性捕獲方式更早地投入實(shí)際航天工程運(yùn)用[1-3]，如美國(guó)的軌道快車(chē)(Orbital Express)計(jì)劃[4]，加拿大的空間機(jī)械臂系統(tǒng)(SRMS)[5]，歐洲宇航局的歐洲機(jī)械臂系統(tǒng)ERA[6]，日本的JEMRMS(Japanese Experimental Module Remote Manipulator System)機(jī)械臂系統(tǒng)[7]與ETS-Ⅶ[8]，德國(guó)的機(jī)器人技術(shù)試驗(yàn)ROTEX(Roboter Technology Experiment)項(xiàng)目[9]等。上述任務(wù)系統(tǒng)均以剛性機(jī)械臂作為捕獲執(zhí)行機(jī)構(gòu)，捕獲距離受限，且需在捕獲機(jī)構(gòu)上安裝距離、力/力矩、觸覺(jué)等傳感器以保證對(duì)接碰撞過(guò)程的安全，特別是在空間懸浮狀態(tài)下多剛體機(jī)械臂捕獲目標(biāo)物后質(zhì)心、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等系統(tǒng)參數(shù)易發(fā)生改變以及目標(biāo)物自旋給系統(tǒng)控制帶來(lái)較大困難，對(duì)空間非合作目標(biāo)捕獲難以奏效。柔性捕獲概念是近年提出的，以網(wǎng)或布等柔性結(jié)構(gòu)覆蓋包裹目標(biāo)物或通過(guò)機(jī)械手抓取目標(biāo)物后通過(guò)柔性連接物(如繩索)與任務(wù)航天器形成可靠連接的組合體，是近年來(lái)空間研究的熱點(diǎn)之一[10]。國(guó)外多家知名航空機(jī)構(gòu)都早有布局，對(duì)空間非合作目標(biāo)物的柔性捕獲進(jìn)行過(guò)相關(guān)研究[11-13]。國(guó)內(nèi)相關(guān)研究院所及高校也對(duì)柔性捕獲技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，取得了一定研究成果?？臻g柔性捕獲技術(shù)涉及到力學(xué)、機(jī)械、電氣、控制及材料等多個(gè)學(xué)科，在總體方案設(shè)計(jì)、動(dòng)力學(xué)分析及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等多個(gè)方面都存在較多的科學(xué)問(wèn)題需要研究，國(guó)內(nèi)尚未有文獻(xiàn)對(duì)空間非合作目標(biāo)物柔性捕獲中的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行綜述與分析。本文對(duì)空間非合作目標(biāo)物捕獲過(guò)程中涉及到的捕獲方式、消旋技術(shù)、系繩模型及系繩控制機(jī)構(gòu)等技術(shù)進(jìn)展進(jìn)行分析與討論，最后給出了一些具體建議。

1 空間非合作目標(biāo)物柔性捕獲方式

空間柔性捕獲技術(shù)的柔性一般體現(xiàn)為末端捕獲裝置的柔性(如繩網(wǎng)、口袋等)，也可體現(xiàn)為捕獲后目標(biāo)物與任務(wù)平臺(tái)之間的柔性連接(如飛爪等繩系捕獲)。根據(jù)捕獲執(zhí)行機(jī)構(gòu)的不同，柔性捕獲一般可分為繩網(wǎng)捕獲、飛爪捕獲及柔性口袋捕獲等。

1.1 繩網(wǎng)捕獲

空間繩網(wǎng)捕獲是在空間展開(kāi)一張大面積的繩網(wǎng)對(duì)空間目標(biāo)物進(jìn)行捕獲的技術(shù)，是空間柔性捕獲中較為成熟的技術(shù)之一。繩網(wǎng)的展開(kāi)有多種方式，如拋射展開(kāi)、旋轉(zhuǎn)展開(kāi)、自主機(jī)動(dòng)展開(kāi)及支撐展開(kāi)等。

1.1.1拋射展開(kāi)

空間繩網(wǎng)拋射是空間繩網(wǎng)捕獲技術(shù)中最為廣泛展開(kāi)方式[14-16]，具有原理簡(jiǎn)單、展開(kāi)迅速等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)繩網(wǎng)保形時(shí)間較短，適用于空間非合作目標(biāo)物的快速捕獲[17]。

2002年，歐洲航天局ESA (European Space Agency)提出了地球同步軌道清理機(jī)器人ROGER項(xiàng)目[11]。ROGER機(jī)器人捕獲過(guò)程如圖1所示，ROGER被發(fā)射進(jìn)入地球同步轉(zhuǎn)移軌道GTO (Geostationary Transfer Orbit)后與運(yùn)載火箭分離，然后在遠(yuǎn)地點(diǎn)點(diǎn)火機(jī)動(dòng)至地球同步軌道GEO (Geosynchronous Earth Orbit)附近，并經(jīng)過(guò)多次軌道機(jī)動(dòng)與目標(biāo)物進(jìn)行交會(huì)，當(dāng)ROGER和非合作目標(biāo)物距離在捕獲范圍內(nèi)時(shí)向非合作目標(biāo)物發(fā)射繩網(wǎng)，繩網(wǎng)在發(fā)射過(guò)程中完全展開(kāi)并將非合作目標(biāo)物完全包裹、鎖緊而完成捕獲，ROGER再次點(diǎn)火機(jī)動(dòng)將繩系組合體拖曳至更高的墳?zāi)管壍啦⑶袛嘞道K，而后ROGER返回GEO，準(zhǔn)備下一次捕獲任務(wù)。ROGER項(xiàng)目利用發(fā)射器將4個(gè)質(zhì)量為1 kg的質(zhì)量塊發(fā)射，將繩網(wǎng)拉出、展開(kāi)，屬于典型的拋射展開(kāi)。該項(xiàng)目在2003年完成方案評(píng)審后未見(jiàn)后續(xù)公開(kāi)報(bào)道，直至2014年，ESA在巴黎又發(fā)布了一份聲明，稱其在“清潔太空行動(dòng)(Clean Space Initiative)”中正在研究的“脫軌”任務(wù)(DeOrbit Mission)將致力于清除和收集軌道垃圾以減少航天產(chǎn)業(yè)給地球和太空帶來(lái)的環(huán)境沖擊，對(duì)諸如拋射網(wǎng)、夾緊機(jī)構(gòu)和魚(yú)叉在內(nèi)的多種捕獲裝置進(jìn)行研究，此項(xiàng)目可看作是ROGER項(xiàng)目的延續(xù)。2015年，ESA在獵鷹20拋物線飛機(jī)模擬的失重環(huán)境中進(jìn)行了繩網(wǎng)捕獲系統(tǒng)的縮比試驗(yàn)[18]，該試驗(yàn)主要驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的仿真工具的有效性，為將來(lái)設(shè)計(jì)真實(shí)尺寸的繩網(wǎng)捕獲系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

圖1 ROGER空間繩網(wǎng)捕獲過(guò)程概念圖

2006年開(kāi)始，我國(guó)也立項(xiàng)對(duì)空間繩網(wǎng)捕獲技術(shù)開(kāi)展相關(guān)研究，捕獲系統(tǒng)由任務(wù)平臺(tái)、系繩收放裝置、系繩、繩網(wǎng)和若干收口質(zhì)量塊等組成[19]。在捕獲動(dòng)作進(jìn)行的前期，任務(wù)平臺(tái)調(diào)整到與目標(biāo)物較近距離(百米級(jí))，通過(guò)發(fā)射器將柔性繩網(wǎng)發(fā)射，拋射的質(zhì)量塊牽引展開(kāi)繩網(wǎng)，使其快速接近目標(biāo)物，當(dāng)目標(biāo)物完全落入繩網(wǎng)內(nèi)后，收口質(zhì)量塊動(dòng)作，將網(wǎng)口收緊鎖死，而后系繩收放裝置根據(jù)要求對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行回收、釋放及拖曳，并通過(guò)任務(wù)平臺(tái)的軌道調(diào)整使二者進(jìn)入預(yù)定的廢棄軌道。此項(xiàng)目在繩網(wǎng)發(fā)射技術(shù)、柔性繩網(wǎng)形狀及折疊方式、繩網(wǎng)收口質(zhì)量塊技術(shù)、系繩收放裝置技術(shù)以及繩網(wǎng)展開(kāi)、收口及捕獲后繩系組合體的動(dòng)力學(xué)分析及控制等理論方面，取得了一定的研究成果[20-23]，為后續(xù)空間試驗(yàn)驗(yàn)證奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1.1.2旋轉(zhuǎn)展開(kāi)

旋轉(zhuǎn)展開(kāi)是利用旋轉(zhuǎn)離心力展開(kāi)空間繩網(wǎng)，采用合適的控制策略對(duì)展開(kāi)后的繩網(wǎng)進(jìn)行保形控制。這種展開(kāi)方式可以克服直接拋射展開(kāi)方式中容易出現(xiàn)的繩網(wǎng)纏繞以及繩網(wǎng)保形時(shí)間短等問(wèn)題，使得繩網(wǎng)展開(kāi)穩(wěn)定性有所提高。

2009年美國(guó)恒星公司提出了一種依靠電動(dòng)力推進(jìn)的自主捕獲航天器——電動(dòng)碎片清除裝置EDDE[12]。該裝置原理如圖2所示，主要由一根長(zhǎng)導(dǎo)線、太陽(yáng)能電池板、電子收集發(fā)射器和2個(gè)用于發(fā)射輕質(zhì)繩網(wǎng)的繩網(wǎng)管理器組成，其攜帶的繩網(wǎng)用來(lái)包裹和捕獲太空垃圾。每個(gè)繩網(wǎng)管理器系統(tǒng)大約配備100個(gè)重約50 g的Kevlar繩網(wǎng)，繩網(wǎng)通過(guò)EDDE的旋轉(zhuǎn)力展開(kāi)，當(dāng)目標(biāo)物被捕獲后，即使目標(biāo)物的旋轉(zhuǎn)、翻滾速度超過(guò)1 rpm，EDDE也能很快將目標(biāo)物的運(yùn)動(dòng)衰減下來(lái)。恒星公司計(jì)劃向太空發(fā)射12架EDDE航天器，可捕獲當(dāng)前漂浮在近地軌道的所有超過(guò)2 kg的2465個(gè)可識(shí)別目標(biāo)。

圖2 電動(dòng)力繩系捕獲EDDE原理圖

2012年3月，英國(guó)的思克萊德大學(xué)、格拉斯哥大學(xué)聯(lián)合瑞典皇家理工學(xué)院在瑞典發(fā)射基地ESRANGE進(jìn)行一項(xiàng)名為Suainead的試驗(yàn)，旨在對(duì)空間旋轉(zhuǎn)繩網(wǎng)展開(kāi)進(jìn)行技術(shù)驗(yàn)證[24]。旋轉(zhuǎn)繩網(wǎng)系統(tǒng)從火箭錐部的發(fā)射筒進(jìn)行彈射發(fā)射，系統(tǒng)發(fā)射時(shí)處于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并使用特定的旋轉(zhuǎn)反作用飛輪進(jìn)行系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)主動(dòng)控制。當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，釋放一個(gè)2 m×2 m的方形繩網(wǎng)，利用繩網(wǎng)角上連接的質(zhì)量塊旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力帶動(dòng)繩網(wǎng)的展開(kāi)，該試驗(yàn)證明了通過(guò)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)空間繩網(wǎng)展開(kāi)的可行性。

1.1.3自主機(jī)動(dòng)展開(kāi)

前述拋射展開(kāi)及旋轉(zhuǎn)展開(kāi)式繩網(wǎng)系統(tǒng)中，質(zhì)量塊都不具有自主機(jī)動(dòng)功能，主要依靠質(zhì)量塊發(fā)射時(shí)的平動(dòng)速度或者系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)速度將繩網(wǎng)展開(kāi)，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于工程實(shí)現(xiàn)，但同時(shí)也存在諸如捕獲距離短、機(jī)動(dòng)性差等問(wèn)題，而自主機(jī)動(dòng)展開(kāi)就是通過(guò)若干具有自主機(jī)動(dòng)功能的質(zhì)量塊或者微小衛(wèi)星進(jìn)行空間編隊(duì)飛行，通過(guò)編隊(duì)構(gòu)形的變化實(shí)現(xiàn)繩網(wǎng)的展開(kāi)。

2001年，日本東京大學(xué)提出了Furoshiki項(xiàng)目概念[25]，該系統(tǒng)由四顆角衛(wèi)星及其連接的巨大柔性膜(繩網(wǎng)、太陽(yáng)能薄膜或者空間大型天線)組成，如圖3所示，利用四顆角衛(wèi)星將柔性膜展開(kāi)，可在空間展開(kāi)高達(dá)數(shù)千米的巨型平面結(jié)構(gòu)。根據(jù)柔性膜的不同(繩網(wǎng)、太陽(yáng)膜和天線)，F(xiàn)uroshiki可分別應(yīng)用于空間大型目標(biāo)捕獲、空間太陽(yáng)能發(fā)電和輔助通訊等方面。當(dāng)其連接繩網(wǎng)進(jìn)行空間捕獲時(shí)，系統(tǒng)復(fù)雜，成本較高，適合抓捕高價(jià)值的大型重要目標(biāo)。

圖3 Furoshiki項(xiàng)目示意圖

2013年，西北工業(yè)大學(xué)的馬駿等[26]針對(duì)現(xiàn)有繩網(wǎng)捕獲系統(tǒng)任務(wù)距離和目標(biāo)多樣性方面的不足，提出了一種新型的“任務(wù)平臺(tái)+連接系繩+繩網(wǎng)+自主機(jī)動(dòng)單元”結(jié)構(gòu)的空間繩網(wǎng)機(jī)器人系統(tǒng)，如圖4所示，這種自主機(jī)動(dòng)單元編隊(duì)捕獲方式克服了傳統(tǒng)空間繩網(wǎng)捕獲機(jī)器人在操作性和機(jī)動(dòng)能力方面的不足，但此種新型繩網(wǎng)捕獲系統(tǒng)仍然需要利用系繩將任務(wù)平臺(tái)與繩網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行連接，系統(tǒng)設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜。

圖4 新型空間繩網(wǎng)捕獲機(jī)器人

針對(duì)傳統(tǒng)繩網(wǎng)捕獲系統(tǒng)存在的發(fā)射要求高、捕獲距離短及機(jī)動(dòng)性差等問(wèn)題，浙江大學(xué)王班等[27]于2016年提出一種基于可重組繩系編隊(duì)飛行的自主機(jī)動(dòng)空間繩網(wǎng)捕獲系統(tǒng)的概念。此繩網(wǎng)捕獲系統(tǒng)采用四個(gè)具有彈射分離與對(duì)接組合功能的微衛(wèi)星，結(jié)合收口繩進(jìn)行空間編隊(duì)飛行，通過(guò)編隊(duì)構(gòu)形的變化并結(jié)合系繩收放控制實(shí)現(xiàn)繩網(wǎng)的展開(kāi)、保持與收縮等操作。可重構(gòu)繩系編隊(duì)方式突破了傳統(tǒng)繩系編隊(duì)飛行系統(tǒng)編隊(duì)前后各飛行器的同步性難題。

1.1.4支撐展開(kāi)

支撐展開(kāi)式繩網(wǎng)系統(tǒng)是利用剛性支撐件將繩網(wǎng)展開(kāi)，由于發(fā)射過(guò)程對(duì)繩網(wǎng)載荷有體積要求，所以需要利用可壓縮式支撐件展開(kāi)繩網(wǎng)，如充氣式或薄壁伸縮臂展開(kāi)。

2004年，美國(guó)TUI(Tethers Unlimited, Inc.)公司成功開(kāi)發(fā)了應(yīng)用于空間非合作目標(biāo)捕獲的GRASP(Grapple, Retrieve, And Secure Payload)技術(shù)，通過(guò)對(duì)充氣軟管充氣可控地展開(kāi)一張柔性網(wǎng)對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行包裹、抓捕。為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的充氣管式末端繩網(wǎng)捕獲機(jī)構(gòu)的實(shí)用性與有效性，TUI于2014年在拋物線飛機(jī)的零重力環(huán)境下進(jìn)行了模擬捕獲試驗(yàn)，捕獲效果良好[28]。

1.2 繩爪捕獲系統(tǒng)

上述ROGER捕獲系統(tǒng)的另一種抓捕方法是繩爪(Tether-gripper mechanism, TGM)捕獲方式，繩爪末端與系繩連接，并可自由飛行，TGM帶有冷氣推進(jìn)系統(tǒng)，每個(gè)推進(jìn)器可提供1 N的推進(jìn)力，并帶有兩個(gè)立體攝像機(jī)和一個(gè)激光測(cè)距儀，在TGM的上平臺(tái)頂部安裝有一個(gè)三指飛爪，用于抓捕目標(biāo)物，通過(guò)平臺(tái)上的卷繞電機(jī)收放系繩實(shí)現(xiàn)飛爪控制[11]。

2006年，日本宇宙航空開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)JAXA(Japan Aerospace Exploration Agency)提出的一種利用電動(dòng)繩系進(jìn)行低軌廢棄物清理的設(shè)想SDMR(Space Debris Micro-Remover)項(xiàng)目[29-30]。如圖5所示，SDMR其工作過(guò)程為：捕獲機(jī)器人首先機(jī)動(dòng)與目標(biāo)物完成交會(huì)并對(duì)目標(biāo)物的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行偵查、測(cè)量，然后經(jīng)過(guò)繞飛后完成與目標(biāo)物的最終接近并通過(guò)可伸展捕獲爪捕獲目標(biāo)物，捕獲目標(biāo)物后釋放電動(dòng)力系繩，此系繩與捕獲爪根部相連，最后通過(guò)機(jī)器人的噴氣推力與系繩電動(dòng)力完成組合體的軌道轉(zhuǎn)移。

圖5 日本SDMR項(xiàng)目示意圖

2009年，西北工業(yè)大學(xué)的胡仄虹等[31]提出了一種“空間平臺(tái)+空間系繩+操作機(jī)器人”的繩爪式空間繩系捕獲機(jī)器人，操作機(jī)器人上自帶操作機(jī)械臂及末端操作爪用于執(zhí)行捕獲目標(biāo)衛(wèi)星及在軌服務(wù)任務(wù)。如圖6所示，空間系繩固連在操作機(jī)器人底部中心部位，另一端與空間平臺(tái)連接，抓捕目標(biāo)時(shí)，相機(jī)進(jìn)入測(cè)量盲區(qū)接近并引導(dǎo)操作機(jī)器人靠近目標(biāo)，并將其鎖緊限制于某一范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)防止目標(biāo)逃逸。此種繩爪式捕獲方式具有操作半徑大、靈活性強(qiáng)的特點(diǎn)，且繼承了空間機(jī)械臂良好的操作功能。

圖6 繩爪式空間繩系捕獲機(jī)器人

1.3 口袋式捕獲系統(tǒng)

2012年，美國(guó)國(guó)家航空航天局NASA (National Aeronautics and Space Administration)提出了小行星捕獲ARM項(xiàng)目[13]。項(xiàng)目方案A采用口袋式抓捕方案，發(fā)射火箭將ARM航天器發(fā)送到407 km的近地軌道后實(shí)現(xiàn)分離并將航天器展開(kāi)，經(jīng)過(guò)2.2年后ARM轉(zhuǎn)移到月球軌道，然后利用太陽(yáng)能電推進(jìn)系統(tǒng)和月球引力來(lái)脫離地月引力系統(tǒng)，再經(jīng)1.7年到達(dá)目標(biāo)小行星軌道后，通過(guò)柔性捕獲布袋(如圖7所示)抓捕小行星。為了達(dá)到消旋目的，探測(cè)器首先將和小行星的旋轉(zhuǎn)速度匹配，利用口袋式捕獲系統(tǒng)將其捕獲，確保小行星穩(wěn)固在探測(cè)器中，然后利用推進(jìn)系統(tǒng)將探測(cè)器和小行星的組合體整體消旋，最后系統(tǒng)離開(kāi)小行星軌道返回到月球軌道。

圖7 ARM口袋式捕獲系統(tǒng)

綜上可知，柔性捕獲尚處于概念設(shè)計(jì)、原理驗(yàn)證和少量空間試驗(yàn)驗(yàn)證階段，在總體方案設(shè)計(jì)、動(dòng)力學(xué)分析和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面都存在著復(fù)雜的問(wèn)題需要研究，距離實(shí)際工程化應(yīng)用尚有一段路要走。相比較而言，繩網(wǎng)及繩爪式繩系捕獲技術(shù)在理論分析、樣機(jī)研制及空間試驗(yàn)方面都積累了一定的基礎(chǔ)，是未來(lái)行之有效、可工程實(shí)現(xiàn)的柔性捕獲方式之一。

2 空間非合作目標(biāo)物消旋技術(shù)

空間非合作目標(biāo)(失控衛(wèi)星、空間垃圾等)在空間攝動(dòng)力作用下大多處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，旋轉(zhuǎn)軸存在長(zhǎng)期章動(dòng)，對(duì)空間非合作目標(biāo)采取措施實(shí)現(xiàn)大幅消旋是非合作目標(biāo)成功捕獲的前提條件。根據(jù)消旋力/力矩是否與非合作目標(biāo)接觸，空間非合作目標(biāo)消旋方法可以分為接觸式和非接觸式消旋。非接觸式采用羽流沖擊[32]、靜電力[33]、電磁力[34]、激光[35]等非接觸力對(duì)目標(biāo)進(jìn)行消旋可以有效減少碰撞風(fēng)險(xiǎn)，在安全距離外作業(yè)消除目標(biāo)的三軸轉(zhuǎn)速。一般來(lái)講非接觸式消旋提供的消旋力/力矩較小，且在軌具體實(shí)現(xiàn)難度大，目前多處于概念設(shè)計(jì)階段。消旋力/力矩與目標(biāo)物之間直接接觸的接觸式消旋，可提供較大的消旋力矩，適用于質(zhì)量較大目標(biāo)物的快速消旋，主要包含摩擦力消旋、機(jī)械臂控制消旋、柔性系繩消旋、觸須粘附式和折疊桿件式等消旋方案。

2001年，日本國(guó)家航空航天實(shí)驗(yàn)室NAL (National Aerospace Laboratory of Japan)的Kawamoto等[36]提出了利用多次接觸式脈沖力交替衰減目標(biāo)章動(dòng)角和自旋轉(zhuǎn)速的方法，最終完全衰減了目標(biāo)物的3軸轉(zhuǎn)動(dòng)速度，給出了脈沖次數(shù)的優(yōu)化過(guò)程。2007年，日本名古屋大學(xué)的Yoshikawa和Yamada[37]針對(duì)空間機(jī)械臂捕獲機(jī)構(gòu)，提出了使用機(jī)械臂通過(guò)接觸點(diǎn)對(duì)旋轉(zhuǎn)非合作目標(biāo)物施加脈動(dòng)推力的方式實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物的消旋方案。機(jī)械臂控制消旋方式模型相對(duì)精確，消旋效率較高，但也存在碰撞風(fēng)險(xiǎn)大，控制較復(fù)雜等缺點(diǎn)。

2011年，日本JAXA的Nishida等[30]在研究使用電動(dòng)力繩系機(jī)器人捕獲空間非合作目標(biāo)物時(shí)，提出了利用末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)攜帶的柔性刷，通過(guò)控制柔性刷與目標(biāo)物的摩擦力大小對(duì)旋轉(zhuǎn)較快(3～30(°)/s)的目標(biāo)物進(jìn)行消旋控制[30]。柔性刷摩擦消旋是一種在抓捕前對(duì)目標(biāo)進(jìn)行消旋的方法，帶來(lái)的沖擊相對(duì)較小，有利于后續(xù)的捕獲操作。其他諸如半球殼摩擦消旋[38]及利用抓捕機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)摩擦轉(zhuǎn)矩消旋[39]等都屬于摩擦消旋的方式。但這類消旋方法實(shí)施前需要服務(wù)航天器進(jìn)行復(fù)雜的變軌繞飛，接近停靠在距目標(biāo)非常近的位置處。

2012年，美國(guó)的Levin等[40]針對(duì)電動(dòng)力繩系飛網(wǎng)捕獲系統(tǒng)EDDE，提出了利用繩網(wǎng)與非合作目標(biāo)物的多牽掛點(diǎn)消旋方法，通過(guò)控制牽掛于目標(biāo)物的兩條系繩張力對(duì)旋轉(zhuǎn)目標(biāo)物進(jìn)行消旋。此種消旋方式對(duì)目標(biāo)物的形狀以及繩網(wǎng)與目標(biāo)物的牽掛點(diǎn)要求較高。

其他還有諸如觸須粘附式消旋及折疊桿件消旋等消旋方式，按消旋作業(yè)與捕獲作業(yè)是否同一機(jī)構(gòu)及其作業(yè)特點(diǎn)將接觸式消旋簡(jiǎn)單歸納如表1所示。能同時(shí)滿足消旋+捕獲或消旋+離軌的一步式消旋方法更具前景，可以將一個(gè)空間碎片主動(dòng)移除任務(wù)多個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行簡(jiǎn)化，減輕任務(wù)有效載荷。

表1 各類接觸式消旋方法的特點(diǎn)

3 空間柔性系繩模型及其控制裝置

3.1 空間系繩模型

系繩具有重量輕、阻尼小、抗拉強(qiáng)度高、柔軟性好、大尺度及易卷取等特征，其在空間具有很大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。從太空環(huán)境的特殊性以及捕獲任務(wù)出發(fā)，對(duì)系繩有多方面的要求：強(qiáng)度高、耐高(低)溫、質(zhì)量輕和柔軟性好等，常選擇綜合性能好的芳香族聚胺纖維作為系繩的材料，其典型代表為Kevlar和Taron材料。系繩具有復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)特性，其動(dòng)力學(xué)特性不僅在微觀上與材料本身的分子機(jī)構(gòu)有關(guān)，宏觀上與系繩的纏繞編制方式等也有很大的關(guān)系，一般很難建立能完全表現(xiàn)系繩特性的精確模型。在進(jìn)行空間系繩系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，一般根據(jù)實(shí)際情況，采用各種簡(jiǎn)化的模型對(duì)系繩進(jìn)行描述，已有不少文獻(xiàn)對(duì)系繩模型進(jìn)行了總結(jié)與比較[41-42]。應(yīng)用比較多的系繩簡(jiǎn)化模型一般可分為5種。

1)輕質(zhì)剛體模型。不計(jì)系繩質(zhì)量，不計(jì)系繩彈性，將系繩等效成一根只能受拉而不能受壓的一維輕質(zhì)剛性桿[43-44]，當(dāng)將系繩兩端所連接的航天器也作為質(zhì)點(diǎn)考慮，此時(shí)整個(gè)繩系系統(tǒng)模型被稱之為“啞鈴模型”，是空間繩系系統(tǒng)中最簡(jiǎn)單的模型。此種模型主要專注于系統(tǒng)的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)，此時(shí)系繩對(duì)其連接的兩個(gè)航天器起著位置約束的作用。這種模型建立的系統(tǒng)方程相對(duì)簡(jiǎn)單，有利于降低控制器設(shè)計(jì)的難度和提高計(jì)算效率，又能描述系統(tǒng)的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)，有利于直觀理解空間繩系系統(tǒng)的概念。

2)輕質(zhì)彈性體模型。不計(jì)系繩質(zhì)量，計(jì)入系繩彈性或者系繩彈性與阻尼，將系繩等效成不可壓縮彈性桿模型對(duì)系繩進(jìn)行建模[45]，并可根據(jù)情況考慮系繩阻尼特性[46]。系繩粘彈性材料本構(gòu)關(guān)系通常采用線性KElvin-Voigt模型[47]：

式中：N代表系繩張力大小，E代表系繩彈性模量，A代表系繩橫截面積，α表示阻尼系數(shù)，ε表示系繩應(yīng)變。系繩一般由多根復(fù)合材料纖維編織而成，當(dāng)它在受壓時(shí)，由于各根纖維的抗壓能力都非常低，繩索整體只表現(xiàn)出很小的剛度，當(dāng)它受微小的拉力作用時(shí)，由于各根纖維都具有一定的松弛余量，繩索整體的剛度依然非常?。恢挥挟?dāng)拉力比較大時(shí)，繩索中的纖維才會(huì)被拉緊，從而表現(xiàn)出非常大的剛度特性，可根據(jù)系繩存在的非線性應(yīng)力—應(yīng)變特性，可對(duì)上述線性Kelvin-Voigt模型加以改進(jìn)[31]。

系繩本身除了存在非線性彈性特性外，其應(yīng)力—應(yīng)變曲線還存在遲滯特性，即縱向拉伸時(shí)，加載與減載過(guò)程曲線不重合。趙國(guó)偉等[48]在研究柔性繩索體展開(kāi)過(guò)程時(shí)，為了描述系繩的靜態(tài)遲滯特性，引入了Kawabata拉伸張力—應(yīng)變模型。易琳等[49]借鑒用于描述機(jī)械、土木、地震和材料工程中的Bouc-Wen遲滯模型，建立了能夠靈活控制遲滯環(huán)形狀的推廣Bouc-Wen模型以描述Kevlar系繩高度非對(duì)稱的遲滯現(xiàn)象，并提出了模型參數(shù)分步識(shí)別方法。

3)集中質(zhì)量剛體模型。此種模型將系繩離散成一系列與無(wú)質(zhì)量直桿相連的質(zhì)點(diǎn)[50]。直桿與質(zhì)點(diǎn)之間通過(guò)活動(dòng)鉸鏈連接，因此可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)，以此來(lái)模擬系繩的柔性，建模時(shí)將系繩所受外力集中施加在節(jié)點(diǎn)上，根據(jù)系繩線密度通過(guò)集中質(zhì)量法確定節(jié)點(diǎn)質(zhì)量。模型中離散單元的數(shù)目可變，通過(guò)僅改變離系繩收放點(diǎn)最近的單元的屬性(如長(zhǎng)度、質(zhì)量)，并于適當(dāng)?shù)臅r(shí)候(當(dāng)最前端單元的長(zhǎng)度超過(guò)或低于預(yù)先給定的閥值時(shí))在離散單元鏈的最前端加入或移除一個(gè)單元來(lái)模擬系繩的收放過(guò)程。

4)集中質(zhì)量彈性體模型。此種模型在實(shí)際應(yīng)用中最為廣泛，既考慮了系繩質(zhì)量又考慮了系繩彈性，能相對(duì)比較全面的表現(xiàn)系繩特性且模型不復(fù)雜，方便編程計(jì)算與仿真。應(yīng)用比較多的是將系繩離散成一系列與彈簧、阻尼相連接的質(zhì)點(diǎn)，系繩所受其他外力都作用在各質(zhì)點(diǎn)上[51]。根據(jù)實(shí)際情況也可不考慮系繩阻尼，即將系繩離散成一系列與彈簧相連接的質(zhì)點(diǎn)[52]。

5)連續(xù)彈性體模型?？紤]系繩位形與連續(xù)質(zhì)量，一般是利用微元法，取系繩微元進(jìn)行分析[53-55]，其中以Modi與Misra[53]所提出的模型最具代表意義。該模型考慮了系繩質(zhì)量、空間位形以及系繩與末端的連接點(diǎn)的偏置問(wèn)題，所得的模型代數(shù)/偏微分方程相當(dāng)復(fù)雜，基本無(wú)法求出其解，只能通過(guò)數(shù)值計(jì)算進(jìn)行研究。

上述系繩等效模型是研究者針對(duì)不同的研究背景及不同的側(cè)重點(diǎn)對(duì)空間系繩所抽象出的等效特征。在空間繩系系統(tǒng)研究的早期，研究的重點(diǎn)是凸顯空間繩系系統(tǒng)的基本物理現(xiàn)象和物理規(guī)律，進(jìn)行了大量的假設(shè)，一般將系繩等效成剛性桿(模型1)，這樣的假設(shè)有利于快速對(duì)空間繩系系統(tǒng)構(gòu)成基本的認(rèn)識(shí)。在基本的物理現(xiàn)象得到闡述與認(rèn)識(shí)之后，研究的重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到系統(tǒng)更為精細(xì)的物理現(xiàn)象，如系統(tǒng)的縱向振動(dòng)等，此時(shí)一般需要將系繩彈性考慮進(jìn)去，將系繩等效為無(wú)質(zhì)量的彈性桿(模型2)。當(dāng)系繩本身質(zhì)量較大時(shí)，還會(huì)引起空間繩系系統(tǒng)的橫向振動(dòng)及跳繩運(yùn)動(dòng)等，這時(shí)系繩分布質(zhì)量特性必須要考慮到模型中去，將系繩離散成細(xì)小的系繩單元，系繩單元的質(zhì)量被考慮為質(zhì)點(diǎn)，整個(gè)系繩被等效成由剛性桿連接的質(zhì)點(diǎn)(模型3)或者由彈簧、阻尼連接的質(zhì)點(diǎn)(模型4)。而利用微元法，考慮系繩位形和質(zhì)量(模型5)，建立的系統(tǒng)模型則將更加精細(xì)。針對(duì)不同的研究背景可以根據(jù)實(shí)際情況對(duì)系繩模型進(jìn)行選擇與改進(jìn)。初步試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，Kevlar系繩存在著諸如剛度非線性、塑性變形、蠕變以及遲滯效應(yīng)等非線性特性，詳細(xì)研究系繩的此類非線性現(xiàn)象并將其考慮到系繩模型中對(duì)繩系組合體的動(dòng)力學(xué)分析及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有重大意義。

3.2 系繩控制裝置

3.2.1系繩長(zhǎng)度控制

主要進(jìn)行系繩長(zhǎng)度或速率控制，對(duì)系繩張力沒(méi)有要求，這類系繩控制機(jī)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，一般使用動(dòng)力部件驅(qū)動(dòng)卷筒即可實(shí)現(xiàn)功能要求。

南京航空航天大學(xué)的文浩[56]在基于氣浮裝置的繩系衛(wèi)星地面模擬實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單的系繩卷取機(jī)構(gòu)，主要包括基座、卷線軸、電機(jī)(集成編碼器)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，可實(shí)現(xiàn)短距離的繩長(zhǎng)控制。此機(jī)構(gòu)具有一定的擴(kuò)展性，可通過(guò)在出繩口處加裝張力傳感器實(shí)現(xiàn)系繩的張力閉環(huán)控制。由于是用于地面氣浮平臺(tái)實(shí)驗(yàn)，因此此機(jī)構(gòu)卷取的系繩長(zhǎng)度有限。

在前述ROGER繩網(wǎng)捕獲及其他類似的繩網(wǎng)捕獲裝置中，在繩網(wǎng)與目標(biāo)物完成交會(huì)、接觸后需要通過(guò)收口機(jī)構(gòu)卷取收口繩將網(wǎng)口收攏、鎖死而完成任務(wù)平臺(tái)與目標(biāo)物的可靠連接。ROGER項(xiàng)目中的電收口機(jī)構(gòu)主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、卷繩筒、供電電池和微開(kāi)關(guān)等組成，當(dāng)繩網(wǎng)捕獲到目標(biāo)物后，傳感器觸發(fā)開(kāi)關(guān)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)卷繩筒旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)系繩的可控卷取。ROGER的最大繩網(wǎng)尺寸為15 m×15 m，此種情況下收口繩總長(zhǎng)為60 m左右，因此此收口機(jī)構(gòu)是一種短距離系繩收放機(jī)構(gòu)，并具有控制靈活、便于實(shí)現(xiàn)自主觸發(fā)關(guān)停、測(cè)距和遙控等智能操作[11]。國(guó)防科技大學(xué)的陳欽[57]提出了使用彈簧儲(chǔ)能的機(jī)械式繩網(wǎng)收口機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)中有機(jī)械式鎖死機(jī)構(gòu)，使得系繩卷入收口機(jī)構(gòu)中就不能被拉出，即只能單向回收。此機(jī)械式收口機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，但因儲(chǔ)能少而不利于長(zhǎng)距離卷取，也不利于重復(fù)使用。浙江大學(xué)的易琳等[58]針對(duì)繩網(wǎng)收口，設(shè)計(jì)了電驅(qū)動(dòng)式的自適應(yīng)收口質(zhì)量塊，此機(jī)構(gòu)借鑒了雙轉(zhuǎn)子電機(jī)結(jié)構(gòu)的思路，即定子和轉(zhuǎn)子都自由轉(zhuǎn)動(dòng)，可分別帶動(dòng)兩卷筒對(duì)兩根系繩進(jìn)行卷取。當(dāng)兩根收口繩長(zhǎng)度不一樣時(shí)，收口質(zhì)量塊也能完成收口任務(wù)，具有較強(qiáng)的自適應(yīng)功能。

3.2.2系繩張力控制機(jī)構(gòu)

此類機(jī)構(gòu)一般在進(jìn)行系繩卷取的同時(shí)還要進(jìn)行系繩張力控制。張力控制可采用張力傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)系繩張力，通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)對(duì)張力進(jìn)行閉環(huán)控制，也可以通過(guò)單獨(dú)的張力控制模塊對(duì)系繩張力進(jìn)行控制。

日本東京工業(yè)大學(xué)的Mori等[59]在研究使用繩系衛(wèi)星編隊(duì)飛行展開(kāi)薄膜時(shí)，提出了一種系繩張力閉環(huán)控制機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)用兩個(gè)電機(jī)分別控制機(jī)構(gòu)內(nèi)部和外部的系繩張力，機(jī)構(gòu)還采用了3個(gè)張力傳感器以測(cè)量不同系繩段上的張力，如圖8所示。卷筒上安裝有排線裝置，可以使得系繩在卷筒上均勻排布，排線裝置的動(dòng)力由固連在卷筒上的皮帶輪通過(guò)皮帶提供。

圖8 東京工業(yè)大學(xué)研制的張力控制機(jī)構(gòu)

美國(guó)麻省理工大學(xué)的Chung等[60]針對(duì)NASA宇宙演化的亞毫米探測(cè)結(jié)構(gòu)任務(wù)，改進(jìn)了前述用來(lái)探測(cè)宇宙早期亞毫米波長(zhǎng)電磁波的繩系干涉儀航天器SPHERES，加裝了如圖9所示的系繩張力控制機(jī)構(gòu)。此系繩控制機(jī)構(gòu)主要包括超聲發(fā)射器、導(dǎo)繩環(huán)、6自由度力傳感器、導(dǎo)線輪、傳動(dòng)主軸、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和卷繩筒等組件。驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制系繩卷取，超聲波收發(fā)器完成航天器相對(duì)位置測(cè)量，6自由度張力傳感器既能夠測(cè)量系繩張力的大小，又能根據(jù)系繩張力在各坐標(biāo)軸上的分量計(jì)算出系繩姿態(tài)入角[60]，實(shí)現(xiàn)了系繩姿態(tài)入角的無(wú)接觸式測(cè)量。

浙江大學(xué)的王班等[61]提出了一種多功能、高效能的張力控制機(jī)構(gòu)。通過(guò)論證空間繩系組合體可能存在的多種運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，對(duì)機(jī)構(gòu)提出了系繩姿態(tài)角、繩長(zhǎng)及張力等方面的功能需求，據(jù)此研制了如圖10所示的張力控制機(jī)構(gòu)樣機(jī)，并分析討論了張力控制機(jī)構(gòu)的張力跟蹤等各類靜、動(dòng)態(tài)性能。

圖9 麻省理工大學(xué)研制的張力控制機(jī)構(gòu)

圖10 浙江大學(xué)研制的張力控制機(jī)構(gòu)

前述幾種空間系繩張力控制機(jī)構(gòu)都是通過(guò)控制卷繞電機(jī)實(shí)現(xiàn)張力閉環(huán)控制的，也可通過(guò)獨(dú)立的張力控制模塊對(duì)張力實(shí)現(xiàn)單獨(dú)控制，比較常用的是“螺旋軸”張力控制方式，通過(guò)調(diào)節(jié)系繩釋放時(shí)的摩擦力來(lái)實(shí)現(xiàn)系繩張力的單獨(dú)控制。在軌繩系衛(wèi)星項(xiàng)目如YES系列項(xiàng)目及SEDS系列項(xiàng)目等都采取了這種“螺旋軸”方式實(shí)現(xiàn)系繩張力控制。以YES-2項(xiàng)目中的系繩釋放機(jī)構(gòu)為例[62]，其原理如圖11所示，系繩從儲(chǔ)繩筒出來(lái)后，螺旋纏繞于一軸上，此軸由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，伺服電機(jī)配合蝸輪蝸桿帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)可改變系繩繞在軸上的圈數(shù)從而改變系繩張力。

圖11 螺旋軸式張力控制機(jī)構(gòu)

系繩控制機(jī)構(gòu)作為空間繩系系統(tǒng)系繩控制的重要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其性能好壞對(duì)空間繩系系統(tǒng)的成敗有重大影響。結(jié)合前面的分析以及使用要求，未來(lái)在設(shè)計(jì)、研制針對(duì)空間一般性場(chǎng)合的系繩控制機(jī)構(gòu)時(shí)在排線機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及先進(jìn)控制策略應(yīng)用方面需重點(diǎn)關(guān)注。

4 結(jié) 論

對(duì)比分析幾種空間柔性捕獲技術(shù)可知，針對(duì)繩網(wǎng)及繩爪式繩系捕獲技術(shù)，國(guó)內(nèi)外在理論分析、樣機(jī)研制及空間試驗(yàn)方面都積累了一定的基礎(chǔ)，是未來(lái)行之有效、可工程實(shí)現(xiàn)的柔性捕獲方式之一，是在軌捕獲技術(shù)未來(lái)發(fā)展的一個(gè)新方向。針對(duì)空間繩系捕獲技術(shù)，以下幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)需要重點(diǎn)解決。

1)捕獲前的目標(biāo)物各類參數(shù)識(shí)別技術(shù)

在非合作目標(biāo)物捕獲及控制任務(wù)過(guò)程中，由于目標(biāo)慣性參數(shù)未知，因此需要辨識(shí)其質(zhì)量等慣性參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)精確控制。為了使姿態(tài)軌道控制系統(tǒng)做出精準(zhǔn)的控制策略，保證航天器正常在軌運(yùn)行，需要首先對(duì)所抓捕的空間非合作目標(biāo)的慣性參數(shù)進(jìn)行快速準(zhǔn)確辨識(shí)。目標(biāo)的運(yùn)行狀態(tài)、目標(biāo)的表面材料、分離目標(biāo)本體和帆板的信號(hào)、目標(biāo)的姿態(tài)信息等都需要在捕獲前加以識(shí)別。

2)空間繩系捕獲系統(tǒng)大尺度系繩精確建模

空間系繩(如Kevlar系繩等)自身具有粘彈性、塑性變形等非線性特性，且當(dāng)系繩較長(zhǎng)(大尺度)時(shí)，還會(huì)呈現(xiàn)變阻尼和遲滯特性等，其特性如何描述和識(shí)別，空間繩系組合體如何活用此特性進(jìn)行防沖擊、翻滾等，都是亟待解決的問(wèn)題。

3)捕獲后的空間柔性組合體穩(wěn)定控制策略

空間繩系組合體的沖擊、擺動(dòng)及旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)形式是相互耦合的，一種運(yùn)動(dòng)的抑制可能激發(fā)其他類運(yùn)動(dòng)。另一方面，要兼顧幾類運(yùn)動(dòng)的有效抑制，使組合體穩(wěn)定控制過(guò)程的拖曳策略具有容錯(cuò)性、自適應(yīng)性和安全性。

4)地面試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)

對(duì)空間繩系捕獲系統(tǒng)進(jìn)行地面仿真試驗(yàn)，可以校驗(yàn)理論結(jié)果是否正確，有利于在進(jìn)行在軌試驗(yàn)前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。但空間環(huán)境較為復(fù)雜，除失重、真空環(huán)境外，還需要考慮大氣阻力、太陽(yáng)光壓、日月引力等攝動(dòng)的影響。因此，有必要搭建能夠真實(shí)反映空間動(dòng)力學(xué)環(huán)境的地面試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)，進(jìn)而開(kāi)展地面仿真校驗(yàn)試驗(yàn)，為進(jìn)一步的空間在軌試驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。