繩系系統(tǒng)在空間碎片清除中的應用

胡永新，黃攀峰*，劉習堯

(1.西北工業(yè)大學航天飛行動力學技術(shù)重點實驗室，西安 710072； 2.西北工業(yè)大學智能機器人研究中心，西安 710072)

1 引言

先進的空間技術(shù)能夠大大提高戰(zhàn)略威懾，保障國家安全，并且能夠在民生領(lǐng)域發(fā)揮重大作用，各個航天大國都在積極發(fā)展空間科學技術(shù)，并開展空間探索活動。迄今為止，人類進行了約6090次火箭發(fā)射活動。但是隨著太空活動的增加，空間環(huán)境惡化嚴重，軌道資源緊缺、空間碎片激增等問題嚴重影響空間活動的安全性和可持續(xù)性。歐洲航天局(ESA)在2021年7月9日最新更新的統(tǒng)計數(shù)據(jù)指出[1]：自1957年以來，人類向地球軌道發(fā)射了約12000顆衛(wèi)星，目前在軌的衛(wèi)星個數(shù)約為7510個，其中僅4500顆仍然能夠正常工作。導致產(chǎn)生空間碎片的分裂、爆炸、碰撞等空間異常事件約有560起。10cm以上的太空垃圾已經(jīng)超過34000個。

全球商業(yè)航天也已經(jīng)呈現(xiàn)出了爆炸式增長的態(tài)勢，具有代表性的是美國太空探索技術(shù)(SpaceX)公司推出的總計42000顆衛(wèi)星的“星鏈”(Starlink)衛(wèi)星星座(圖1(a))、美國一網(wǎng)(OneWeb)公司推出總計6372顆衛(wèi)星的“一網(wǎng)”(Oneweb)衛(wèi)星星座(圖1(b))，中國航天科技集團有限公司推出的“鴻雁”全球通信衛(wèi)星星座[2]。可以預見的是未來地球軌道必將會出現(xiàn)大批故障或超出壽命的衛(wèi)星。軌道資源緊缺以及空間碎片激增問題將會變得越來越突出。

圖1 星鏈系統(tǒng)和一網(wǎng)系統(tǒng)[3]Fig.1 Starlink system and OneWeb system

太空中不乏高價值衛(wèi)星由于各種原因失效，比如我國在2006年發(fā)射的地球同步軌道衛(wèi)星“鑫諾二號”，由于太陽帆板未正常打開而失效，直接經(jīng)濟損失達到20億元人民幣，潛在經(jīng)濟損失達到1000億元人民幣[4]。2015年美國“主被動土壤水分監(jiān)測衛(wèi)星”，入軌后僅工作三個月便因主動雷達停止運轉(zhuǎn)而使得性能大幅度下降[5]。近年來，地球靜止軌道(GEO)衛(wèi)星年均達到使用壽命約15顆，自主成功離軌約6.5顆，事實上其中部分高價值衛(wèi)星的功能依然存在，只需要進行系統(tǒng)升級或燃料加注便能夠繼續(xù)正常在軌運行，達到“起死回生”的效果，進而能夠?qū)崿F(xiàn)在軌資源的高效利用。

目前，各航天大國對空間碎片高效移除的技術(shù)手段均有迫切需求。空間碎片移除通常指將高軌碎片移至墳墓軌道，將低軌碎片移至大氣層燒毀。事實上失效衛(wèi)星的在軌維修和在軌加注也是空間碎片移除手段之一。目前已經(jīng)提出的空間碎片主動移除技術(shù)主要有以下幾類：

(1)激光主動移除空間碎片技術(shù)

激光主動移除空間碎片技術(shù)針對空間碎片的大小有兩種工作模式：針對微小型的空間碎片，通過激光照射其表面，致使空間碎片升溫并氣化；針對較大的空間碎片，通過激光照射使得空間碎片輻照區(qū)形成等離子體反噴羽流，進而獲取反向速度增量改變其初始軌道，實現(xiàn)空間碎片移除的目的，如圖2所示。

圖2 激光系統(tǒng)和操作示意圖[6]Fig.2 Schematic diagram of laser system and its operations

(2)增阻離軌移除技術(shù)

該技術(shù)利用沾著泡沫、充氣裝置[7]、折疊阻力帆形成氣球或拋物面形狀增加空間碎片的氣動阻力，如圖3所示，可以加速空間碎片軌道降低，實現(xiàn)快速移除的目的。

圖3 薄膜軌道衰降裝置[7]Fig.3 The Gossamer orbit lowering device

(3)機械臂、捕獲爪或交會對接

服務航天器通過機械臂、捕獲爪或交會對接等手段使自身與目標形成穩(wěn)固連接。對目標進行維修、燃料加注或利用自身推力器實現(xiàn)組合體變軌，進而達到移除空間碎片的目的。

(4)繩系系統(tǒng)主動移除空間碎片技術(shù)

該技術(shù)主要由包括目標捕獲技術(shù)與目標離軌技術(shù)。其中目標捕獲主要通過繩爪、繩網(wǎng)、繩矛等手段，通過逼近抓捕、大包絡(luò)覆蓋、直接擊穿等方式與目標形成穩(wěn)定連接，實現(xiàn)目標的在軌捕獲。目標離軌主要包括拖曳離軌和電動力系繩離軌。其中拖曳離軌主要是在完成目標捕獲后形成組合體，平臺通過系繩拖動目標離開現(xiàn)有軌道，從而實現(xiàn)對目標的拖曳變軌；電動力系繩離軌則是通過將千米級導電系繩與空間碎片連接，其軌道運動切割地球磁力線并在電離子層中形成回路產(chǎn)生電流，進而與地球磁場相互作用產(chǎn)生洛倫茲力實現(xiàn)快速離軌。

2 繩系系統(tǒng)主動移除

ESA開展的ROGER項目，研究了地球靜止軌道機器人對衛(wèi)星在軌服務的技術(shù)可行性和經(jīng)濟性，如圖4所示。該技術(shù)可以通過專用服務衛(wèi)星將在軌衛(wèi)星從地球同步軌道上移除，其任務方案側(cè)重于多顆廢棄同步軌道衛(wèi)星重新入軌，技術(shù)主要包括捕獲機構(gòu)、抓捕器的姿軌控制子系統(tǒng)以及導航制導和控制子系統(tǒng)。其中使用的捕獲手段主要有繩爪和繩網(wǎng)，雖然該項目在2003年被終止，但其引領(lǐng)的關(guān)于空間繩系機器人的研究熱潮一直延續(xù)到現(xiàn)在。

圖4 ROGER項目Fig.4 ROGER Project

ESA開展的RemoveDEBRIS[8，9]項目是世界上首次驗證太空垃圾移除技術(shù)，如圖5所示。其驗證的捕獲手段包括繩網(wǎng)和繩矛兩種手段，該試驗主要包括四部分，分別是繩網(wǎng)捕獲試驗、繩矛捕獲試驗、基于視覺的導航試驗以及利用系繩拖曳離軌試驗，于2018年9月16日和2019年2月8日驗證了利用繩網(wǎng)和繩矛實現(xiàn)對人工目標的捕獲。這兩次試驗表明了空間繩系系統(tǒng)具有空間碎片主動移除的應用前景。如圖6所示，繩網(wǎng)由系繩、網(wǎng)子以及收口質(zhì)量塊構(gòu)成，繩網(wǎng)通過彈射裝置釋放，并在飛行過程中逐漸展開，完全展開后開始收縮，并包裹目標實現(xiàn)捕獲。繩矛捕獲手段則是利用矛狀構(gòu)型以一定速度擊穿目標，并利用倒刺結(jié)構(gòu)對目標鎖緊。

圖5 RemoveDEBRIS項目Fig.5 RemoveDEBRIS Project

圖6 空間繩網(wǎng)機器人結(jié)構(gòu)組成[12]Fig.6 Structural composition of the tethered space net[12]

空間繩系機器人[10]為西北工業(yè)大學研究的利用系繩在太空進行抓捕與操作的新型空間機器人。該機器人可自主識別、跟蹤和逼近100m內(nèi)的非合作、失穩(wěn)空間目標，對其太陽帆板支架、桿狀天線等進行捕獲，并根據(jù)需要進行輔助穩(wěn)定、回收、拖曳移除等操作。如圖7所示，該機器人系統(tǒng)主要由平臺、系繩、抓捕器組成。抓捕器上配置“單+雙”三目相機，可自主識別非合作的空間目標并測量相對目標的位姿信息；自帶12個推進器，并可利用系繩實現(xiàn)對目標的自主逼近，并利用捕獲爪實現(xiàn)對目標太陽帆板支架、桿狀天線等機構(gòu)的抓捕和鎖緊。然后利用系繩控制器控制系繩，實現(xiàn)輔助穩(wěn)定、回收、拖曳移除等任務。任務完成后，還可利用系繩回收抓捕器，并與分離機構(gòu)對接，充電、補加推進劑，實現(xiàn)重復使用。

圖7 空間繩系機器人系統(tǒng)組成示意圖Fig.7 The schematic diagram of the tethered space robot system

空間繩系機器人操作距離遠、靈活度高、操作過程對平臺安全高，對目標結(jié)束在軌服務后，可以通過系繩，推力器等回收抓捕器，對抓捕器進行充電和燃料加注，進而實現(xiàn)重復使用，具有很高的在軌服務效率。西北工業(yè)大學黃攀峰教授團隊針對空間繩系機器人中的各項關(guān)鍵技術(shù)開展研究，研制了國內(nèi)首個空間繩系機器人系統(tǒng)樣機，可實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)速度≥10°/s目標的逼近、抓捕、輔助穩(wěn)定、回收以及拖曳變軌等任務[11]。其研制的系繩張力機構(gòu)如圖8所示。

圖8 系繩張力機構(gòu)原理圖Fig.8 Schematic diagram of the tether tension mechanism

空間飛網(wǎng)機器人主要是利用收口質(zhì)量塊的彈射以及收口實現(xiàn)飛網(wǎng)的展開和合攏，對目標整體進行包絡(luò)捕獲，且對控制精度的要求低，具有可靠的捕獲能力。繩矛能通過初始的速度擊穿目標的部分結(jié)構(gòu)，并利用倒刺結(jié)構(gòu)牢固鎖住目標，捕獲成功率較高?？臻g繩網(wǎng)和空間繩矛這種空間繩系系統(tǒng)在軌捕獲技術(shù)的成功驗證為空間非合作目標的捕獲提供了新的手段。

2.1 目標捕獲技術(shù)

目標捕獲是空間繩系系統(tǒng)主動碎片移除的關(guān)鍵技術(shù)之一，傳統(tǒng)的空間機器人或服務航天器對接是在軌捕獲合作目標的重要手段，這種空間操作手段可靠性高，并且得到了多次驗證，技術(shù)成熟度很高。但操作范圍有限，需要空間機器人或服務航天器充分抵近目標，針對旋轉(zhuǎn)等不穩(wěn)定非合作目標的操作時，具有極大的困難，并且安全性難以保證，目前國內(nèi)外尚未有成功先例。空間繩網(wǎng)、空間繩矛以及空間繩系機器人則為在軌捕獲非合作目標提供了可行的技術(shù)手段。在目標捕獲過程中，空間繩系機器人重點關(guān)注導航、釋放逼近、捕獲及捕獲后穩(wěn)定問題?？臻g繩網(wǎng)機器人則重點關(guān)注飛網(wǎng)展開以及目標捕獲過程中的碰撞穩(wěn)定控制方面。

在空間繩系機器人視覺導航方面：Chen等[13]針對空間繩系機器人對非合作目標的抓捕區(qū)域定位問題，提出了一種抓捕區(qū)域預測方法，該方法可以大大減小目標搜索區(qū)域?？臻g繩系機器人超近距離逼近階段由于相機視場限制難以獲取特征點，進而容易導致傳統(tǒng)的基于特征點的測量方法失效，文獻[14]針對該問題提出一種僅利用衛(wèi)星支架邊緣線的視覺伺服控制方法。孟中杰等[15]給出一種基于直線跟蹤的混合視覺伺服控制方法，該方法僅需獲取太陽帆板支架的邊緣線圖像信息，可以保證繩系機器人逼近至目標衛(wèi)星的帆板支架處。

在空間繩系機器人釋放逼近方面：Huang等[16]針對空間繩系機器人的最優(yōu)逼近控制問題，建立了空間繩系機器人姿軌耦合動力學方程，采用自適應偽譜法以燃料消耗最少為指標規(guī)劃了最優(yōu)軌跡，并且設(shè)計了協(xié)調(diào)控制方法。黃攀峰等[17]提出一種基于速度增量的逼近最優(yōu)軌跡規(guī)劃方法，該方法是利用空間繩系機器人上執(zhí)行機構(gòu)提供速度增量的方式進行軌跡規(guī)劃及最優(yōu)化，可廣泛應用于航天器轉(zhuǎn)移軌道優(yōu)化、軌道機動、交會對接等空間任務中。翟光等[18]研究了空間飛網(wǎng)機器人對目標近距離最優(yōu)逼近問題，重點考慮安全性和燃料消耗最少指標，采用線性規(guī)劃方法規(guī)劃出了逼近最優(yōu)軌跡，并用仿真驗證了其合理性。Hu等[19]針對空間繩系機器人近距離逼近任務設(shè)計了動態(tài)逆控制器，在控制器設(shè)計中采用了一種超扭滑模觀測器對未知干擾和模型不確定進行估計，仿真結(jié)果表明在該控制方法下，空間繩系機器人達到了很好的對目標跟蹤效果。Ma等[20，21]研究了空間繩系機器人的釋放問題，建立了空間繩系機器人離散動力學模型，并采用滑?？刂茖崿F(xiàn)了該系統(tǒng)的穩(wěn)定釋放。Zhang等[22]針對空間繩系機器人對非合作目標逼近過程中視覺相機對距離信息測量偏差較大的問題，提出了一種僅需要測量視線角的逼近控制方案，通過離線運動規(guī)劃以及模型預測控制等實現(xiàn)了僅測量角度信息情況下對非合作目標的可靠逼近。

捕獲及捕獲后穩(wěn)定方面：黃攀峰等[23]針對空間繩系機器人系統(tǒng)的模型不確定性問題，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對不確定性進行估計補償，設(shè)計魯棒項對空間系繩干擾和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估計誤差的影響進行抑制，在此基礎(chǔ)上設(shè)計目標抓捕魯棒自適應穩(wěn)定控制器。Lu等[24]考慮控制輸入約束、系繩振蕩和系繩張力干擾等因素，提出了一種雙閉環(huán)終端滑?？刂品椒?。他又進一步考慮捕獲后組合體的模型不確定性和狀態(tài)約束的影響，提出了一種基于障礙李亞普諾夫函數(shù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動態(tài)面控制方法[25]。Wang等[26]設(shè)計了一種協(xié)調(diào)控制策略，將設(shè)計的控制律分配至繩系空間機械臂、系繩以及推力器上，完成捕獲后組合體的消旋穩(wěn)定控制。此外，Huang等[27]設(shè)計了一種自適應反步控制方法來實現(xiàn)組合體的穩(wěn)定控制。

在空間繩網(wǎng)機器人展開以及碰撞穩(wěn)定控制方面：張帆等[28]針對一類帶有四個自主機動單元的空間飛網(wǎng)機器人運動特性進行了分析，探討了無控制輸入情況下網(wǎng)型折疊形式、以及初始時刻自主單元的彈射條件對網(wǎng)型展開特性的影響；而后針對連接主系繩與外部擾動的影響，提出了一種結(jié)合自適應模糊逼近器的超扭滑?？刂品椒ǎ_到了減小控制器抖振的同時對飛網(wǎng)機器人展開過程精準控制的要求。Botta[29，30]充分研究了飛網(wǎng)展開和捕獲階段的動力學特性，并對抓捕碰撞進行建模對圓柱形碎片進行了捕獲模擬，并考慮了多種任務場景下飛網(wǎng)對目標的捕獲。

繩網(wǎng)捕獲手段利用網(wǎng)子包裹并緊密纏繞目標，實現(xiàn)對目標的捕獲。其包絡(luò)范圍大，捕獲成功率較高。但捕獲后，網(wǎng)子和目標構(gòu)成組合體，難以分離。繩矛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)最為簡單，可廣泛適用于空間碎片的捕獲。但最大的問題是會破壞目標結(jié)構(gòu)，并極易產(chǎn)生較小的更難處理的空間碎片，造成二次污染。繩爪捕獲手段通過剛性爪狀捕獲器對目標特定結(jié)構(gòu)進行抓捕并鎖緊，實現(xiàn)對目標的捕獲。這種捕獲手段一般不會對目標產(chǎn)生破壞，并且在任務結(jié)束后還能夠與目標脫離，并回收，可重復利用。但缺點是系統(tǒng)復雜，控制難度較高，并且需要目標具有特定結(jié)構(gòu)，如桿狀或柱狀結(jié)構(gòu)以供抓捕鎖緊。

2.2 目標離軌

目標離軌是空間繩系系統(tǒng)主動移除碎片的另一項關(guān)鍵技術(shù)，現(xiàn)有的目標離軌方式主要有拖曳離軌和電動力系繩離軌兩種。其中拖曳離軌是在完成對目標捕獲后，系繩一端連接平臺另一端連接目標，形成捕獲后的組合體，隨后平臺通過系繩拖動目標離開現(xiàn)有軌道。但由于捕獲后組合體參數(shù)未知，且可能存在殘余角速度，這給拖曳離軌的穩(wěn)定控制帶來較大困難。電動力系繩離軌系統(tǒng)則首先將系繩按指定方向釋放出一定長度，系繩切割地球磁場運動產(chǎn)生電動力，并逐步實現(xiàn)系統(tǒng)離軌。在釋放和離軌過程中電動力容易導致系繩振動，甚至導致離軌系統(tǒng)失穩(wěn)，這是電動力系繩離軌的難點之一。

Aslanov等[32-34]針對一類由太空拖船、系繩與空間碎片構(gòu)成的空間繩系系統(tǒng)，研究了推力器、氣動阻力和重力力矩作用下系統(tǒng)的初始條件和運動參數(shù)、推力、系繩長度、空間碎片慣量等對繩系系統(tǒng)運動的影響，以及剩余燃料對太空拖船系統(tǒng)拖曳過程中的動力學特性的影響。Zhong等[35]針對空間拖船系統(tǒng)通過霍曼轉(zhuǎn)移將空間碎片從地球靜止軌道轉(zhuǎn)移至墳墓軌道的最優(yōu)控制問題，給出了一種滑模閉環(huán)控制方案。Qi等[36]提出了一種雙系繩空間拖船概念，并研究了其動力學和控制問題，研究了系統(tǒng)處于地球圓軌道下平衡解的存在性和穩(wěn)定性，理論分析和數(shù)值仿真表明，當系繩為短系繩時存在兩個水平平衡解，當系繩變長時，其穩(wěn)定性會變差。當系繩長度大于一定值時，其可行解和不可行解有三個，其中兩個為穩(wěn)定的傾斜解和一個不穩(wěn)定的水平解。Meng等[38]針對系繩拖曳旋轉(zhuǎn)目標時出現(xiàn)的系繩擺動問題，設(shè)計了一種基于阻抗控制的擺動抑制控制律，可有效避免系繩纏繞現(xiàn)象的發(fā)生。Wang等[39]針對偏心捕獲空間碎片的姿態(tài)控制問題，通過移動系繩連接點可以僅利用系繩實現(xiàn)穩(wěn)定控制。

黃靜等[40]針對近地軌道電動力繩系統(tǒng)系繩展開控制問題開展研究，建立了考慮系繩質(zhì)量的近地軌道二體電動力繩系衛(wèi)星系統(tǒng)動力學模型。考慮系繩張力與電流存在約束的條件下，提出了一種基于反步法結(jié)合抗飽和函數(shù)和輔助函數(shù)的控制律，并引入動態(tài)尺度廣義逆實現(xiàn)了系繩的穩(wěn)定釋放。Williams[41]針對電動力系繩離軌控制問題開展研究，將系繩張力控制和電流控制相結(jié)合給出一種非線性混合控制律，并通過移動系繩連接點來抑制橫向不穩(wěn)定性。此外他還提出一種振動能量反饋控制率實現(xiàn)系統(tǒng)離軌過程穩(wěn)定控制[42]。

拖曳離軌是空間繩網(wǎng)機器人、空間繩系機器人和空間繩矛捕獲目標后離軌的通用技術(shù)，離軌方式適用于低、中高軌目標，缺點是需要消耗空間平臺的燃料。電動力系繩離軌方式成本低且不需要消耗燃料，但對空間碎片進行捕獲并安裝電動力系繩離軌系統(tǒng)必不可少，另外系統(tǒng)需要運行在電離層中，適用于低軌目標。

3 結(jié)論

為保障空間活動的可持續(xù)性和安全性，空間碎片主動移除勢在必行?？臻g繩系系統(tǒng)能夠適用于低軌、中軌以及高軌的空間碎片移除任務，并能夠根據(jù)不同任務場景和要求找到合適的解決方案，對于空間碎片主動移除具有廣闊應用前景。盡管已經(jīng)開展了豐富的理論研究和地面試驗，但空間試驗較少，技術(shù)成熟度較低，需要充分的空間試驗來驗證各項技術(shù)。另外空間碎片主動移除具有巨大的商業(yè)市場需求，可以鼓勵資本參與，引導和鼓勵相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，搶占空間碎片主動移除技術(shù)制高點，積極開拓國內(nèi)和國際市場。