馬廣富,郭延寧,邱 爽,邢景儀

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 控制科學(xué)與工程系·哈爾濱·150001)

0 引 言

航天活動(dòng)的飛速發(fā)展極大地改變了人類的生活,實(shí)際上,許多空間任務(wù)涉及非合作目標(biāo)的抓捕。例如,對(duì)未成功進(jìn)入預(yù)定軌道的衛(wèi)星進(jìn)行輔助入軌;對(duì)發(fā)生故障的衛(wèi)星進(jìn)行維修、更換故障單元儀器、輔助機(jī)構(gòu)展開(kāi);對(duì)燃料耗盡但其他系統(tǒng)正常工作的衛(wèi)星加注燃料,延長(zhǎng)壽命;將廢棄衛(wèi)星和空間碎片送入墳?zāi)管壍?實(shí)現(xiàn)空間軌道資源的合理利用;一些軍事任務(wù)等。因此,安全、可靠地實(shí)施對(duì)空間非合作目標(biāo)的在軌捕獲是空間任務(wù)中最關(guān)鍵的技術(shù)之一[1]。

空間翻滾非合作目標(biāo)的特點(diǎn)是未安裝有用于服務(wù)航天器捕獲的抓捕裝置,而且無(wú)法與外界進(jìn)行通信,同時(shí)在空間中處于自由翻滾的狀態(tài),無(wú)法對(duì)自身的姿態(tài)進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)。對(duì)于空間非合作目標(biāo)的在軌捕獲,關(guān)鍵技術(shù)主要包括:1)空間非合作目標(biāo)的測(cè)量技術(shù),主要包括兩方面,一是通過(guò)測(cè)量得到服務(wù)航天器和非合作目標(biāo)之間的相對(duì)位姿關(guān)系,另一方面是得到目標(biāo)的外觀結(jié)構(gòu)、尺寸規(guī)格、判斷非合作目標(biāo)的自旋角速度等是否滿足抓捕條件;2)對(duì)空間非合作目標(biāo)的接近?？考夹g(shù),主要涉及的關(guān)鍵技術(shù)是服務(wù)航天器的導(dǎo)航、制導(dǎo)和控制系統(tǒng)的性能;3)對(duì)空間非合作目標(biāo)在軌捕獲的抓捕機(jī)構(gòu);4)捕獲的過(guò)程接觸碰撞動(dòng)力學(xué)建模技術(shù);5)捕獲后組合體的穩(wěn)定控制[2]。

針對(duì)上述空間非合作目標(biāo)在軌捕獲的關(guān)鍵技術(shù),由于無(wú)法與非合作目標(biāo)進(jìn)行通信獲取姿態(tài)信息,且非合作目標(biāo)無(wú)法提供用于輔助測(cè)量的信息標(biāo)識(shí)物,這給捕獲前的非合作目標(biāo)運(yùn)動(dòng)及位姿測(cè)量帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn);同時(shí)在捕獲后階段,系統(tǒng)質(zhì)心位置會(huì)發(fā)生偏移、慣性參數(shù)也會(huì)發(fā)生改變,可能會(huì)引起組合體姿態(tài)失穩(wěn)。因此若能在捕獲前完成對(duì)空間非合作目標(biāo)的消旋,將大大提高捕獲效率與成功率。

本文將對(duì)目前已有的空間非合作目標(biāo)消旋方案進(jìn)行分析與總結(jié),從目標(biāo)旋轉(zhuǎn)動(dòng)能的變化過(guò)程出發(fā),將相關(guān)消旋方案分為基于能量轉(zhuǎn)移與基于能量損耗兩類,并對(duì)幾種典型方案進(jìn)行了詳細(xì)討論與分析,總結(jié)各個(gè)方案涉及的關(guān)鍵技術(shù),分析各個(gè)方案能夠提供的消旋力矩,以及各個(gè)方案適合的空間非合作目標(biāo)的類型及運(yùn)動(dòng)狀態(tài),為以后的空間非合作目標(biāo)消旋控制方案提供一定的參考。

1 空間非合作目標(biāo)消旋技術(shù)研究現(xiàn)狀及分析

空間翻滾非合作目標(biāo)抓捕前的消旋控制是近年來(lái)航天領(lǐng)域研究的熱門問(wèn)題,已有的消旋方法總的來(lái)說(shuō)可以分為兩類,一類是基于能量轉(zhuǎn)移的消旋技術(shù),即將目標(biāo)與抓捕衛(wèi)星看成一個(gè)能量守恒的總體,將目標(biāo)的角動(dòng)量轉(zhuǎn)移到抓捕衛(wèi)星上達(dá)到消旋的目的,系統(tǒng)總能量不變;另一類是基于能量損耗的消旋技術(shù),抓捕衛(wèi)星對(duì)目標(biāo)施加一定的力或力矩以耗損目標(biāo)的動(dòng)能和角動(dòng)量,從而抑制目標(biāo)的自旋運(yùn)動(dòng)。

1.1 基于能量轉(zhuǎn)移的消旋方案

(1)yo-yo消旋裝置

yo-yo消旋裝置是1961年由加州理工大學(xué)JPL(Jet Propulsion Laboratory,噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室)提出的[3],可以對(duì)空間飛行器減旋,已經(jīng)被使用到NASA(National Aeronautics and Space Administration,美國(guó)國(guó)家航空航天局)的探空火箭SIERRA和黎明號(hào)中[4]。yo-yo系統(tǒng)由末端系有一定質(zhì)量重物的2根繩索對(duì)稱地圍繞在載荷的外側(cè),重物被釋放后,由于離心力的作用,繩索慢慢展開(kāi),逐漸遠(yuǎn)離載荷的轉(zhuǎn)軸,使得載荷的角動(dòng)量轉(zhuǎn)移到了重物上,衰減載荷的自旋角速度,最后繩索斷開(kāi),重物從載荷上脫落。yo-yo消旋裝置的主要參數(shù)是繩索長(zhǎng)度和重物質(zhì)量,由角動(dòng)量守恒原理可知,繩索長(zhǎng)度越長(zhǎng),所需重物質(zhì)量就越輕。但是繩索長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)時(shí),就會(huì)增加重物展開(kāi)過(guò)程的時(shí)間,因此需要對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。

康奈爾大學(xué)的Mark L.Psiaki等[5]考慮了避免消旋過(guò)程中yo-yo系統(tǒng)繩索的纏繞問(wèn)題,提出了帶有阻尼環(huán)的yo-yo消旋裝置,如圖1所示。阻尼環(huán)相對(duì)于目標(biāo)是可以自由旋轉(zhuǎn)的。初始時(shí)目標(biāo)與阻尼環(huán)具有相同的角速度,均為逆時(shí)針?lè)较?當(dāng)釋放yoyo裝置時(shí),繩的拉力會(huì)使得阻尼環(huán)的角速度方向變?yōu)轫槙r(shí)針?lè)较?與目標(biāo)本體存在相對(duì)運(yùn)動(dòng),使得目標(biāo)自旋的能量減小,不僅實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)的消旋控制,也可以保證yo-yo裝置不會(huì)發(fā)生纏繞。

圖1 帶阻尼環(huán)的yo-yo消旋系統(tǒng)示意圖[5]

yo-yo消旋裝置最終是通過(guò)釋放重物以減小目標(biāo)自旋角動(dòng)量,這種方法同樣會(huì)產(chǎn)生空間碎片。為了解決這一問(wèn)題,Vadim Yudintsev等[6]提出了一種改進(jìn)的yo-yo消旋裝置 (見(jiàn)圖2)。主要思想是利用裝有低冰點(diǎn)液態(tài)物質(zhì)的球體替代原有的yoyo裝置末端的重物,當(dāng)yo-yo裝置的繩索全部展開(kāi)時(shí),將球體中的液體釋放到空間中,達(dá)到轉(zhuǎn)移非合作目標(biāo)角動(dòng)量的目的。

圖2 改進(jìn)的yo-yo末端重物示意圖[6]

日本東京工業(yè)大學(xué)的Saburo M等[7]設(shè)計(jì)了yo-yo消旋的具體操作過(guò)程:用兩端系有重物的緊繃?yán)K子碰撞接觸非合作目標(biāo),碰撞時(shí)的摩擦力可以將空間非合作目標(biāo)的角動(dòng)量轉(zhuǎn)移成為yo-yo裝置的線動(dòng)量,完成對(duì)目標(biāo)的消旋。

NASA提出的WRANGLER(Weightless Rendezvous And Net Grapple to Limit Excess Rotation,失重交會(huì)對(duì)接與繩網(wǎng)抓捕消旋技術(shù))[8],主要思想與yo-yo消旋相同,都是利用角動(dòng)量守恒定理,通過(guò)增大系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減小其自旋的角速度。其優(yōu)點(diǎn)是可以利用一個(gè)質(zhì)量很小的服務(wù)航天器對(duì)一個(gè)質(zhì)量是其幾千倍的非合作目標(biāo)進(jìn)行消旋。其主要消旋過(guò)程為:在納米衛(wèi)星上安裝一根剛度極強(qiáng)的繩,繩上連接一個(gè)質(zhì)量很小的網(wǎng)狀抓捕機(jī)構(gòu)。在發(fā)現(xiàn)非合作目標(biāo)時(shí),利用控制裝置將網(wǎng)張開(kāi)抓捕非合作目標(biāo),同時(shí)連接抓捕網(wǎng)與衛(wèi)星間的剛性繩將處于拉緊狀態(tài),這時(shí)將有拉力施加到自旋的非合作目標(biāo)上來(lái)減小目標(biāo)的自旋運(yùn)動(dòng),此拉緊狀態(tài)將持續(xù)到目標(biāo)的自旋角速度減小到一定的范圍內(nèi)。在此過(guò)程中也沒(méi)有能量的損耗,只是將非合作目標(biāo)的自旋角動(dòng)量轉(zhuǎn)移到抓捕衛(wèi)星上。抓捕示意圖及消旋示意圖如圖3所示。

圖3 WRANGLER對(duì)目標(biāo)消旋[8]

(2)反作用飛輪消旋[9]

為了確保捕獲機(jī)械臂、服務(wù)航天器以及組合體在捕獲過(guò)程中的穩(wěn)定性,日本東北大學(xué)的Kazuya Yoshida等提出了一種抓捕過(guò)程中或抓捕后對(duì)非合作目標(biāo)消旋的方案。在抓捕衛(wèi)星基座上安裝反作用飛輪,將目標(biāo)的角動(dòng)量轉(zhuǎn)換為反作用飛輪的動(dòng)量,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的消旋。由于無(wú)外力作用在系統(tǒng)上,所以此方法的本質(zhì)是將目標(biāo)自旋的角動(dòng)量轉(zhuǎn)移到服務(wù)航天器的反作用飛輪上,沒(méi)有能量的消耗。

(3)桿件消旋

為了簡(jiǎn)化消旋裝置的結(jié)構(gòu),提高消旋方案的可操作性,西北工業(yè)大學(xué)的袁建平等[10]設(shè)計(jì)了一種利用桿件折疊變形實(shí)現(xiàn)非合作目標(biāo)消旋的方案。桿件的一端與空間服務(wù)航天器固連,桿件主體上間隔加工有許多槽口,其作用是便于桿件主體進(jìn)行折疊;另一端用于接觸空間非合作目標(biāo),非合作目標(biāo)姿態(tài)的變化帶動(dòng)桿件主體通過(guò)槽口進(jìn)行多次折疊,在桿件主體形變能的反作用下實(shí)現(xiàn)消旋。這種方法將旋轉(zhuǎn)非合作目標(biāo)的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能傳遞到桿件上,通過(guò)桿件折疊吸收能量,減小空間非合作目標(biāo)的轉(zhuǎn)速。

1.2 基于能量損耗的消旋方案

(1)刷子消旋[11]

刷子消旋主要利用在機(jī)械臂末端安裝用柔性材料做成的刷子形狀的執(zhí)行器,在抓捕目標(biāo)之前,利用此刷子結(jié)構(gòu)的執(zhí)行器輕觸目標(biāo)表面,在不影響目標(biāo)穩(wěn)定性的情況下使其自旋角速度逐漸減小,從而達(dá)到消旋的目的。刷子消旋裝置結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。由于減速刷與目標(biāo)是面接觸作用,只能提供單自由度的控制力,適用于目標(biāo)單軸自旋情況。

圖4 刷子消旋裝置結(jié)構(gòu)圖[11]

北京控制工程研究所的段文杰等[12]研究了刷子消旋過(guò)程中的接觸動(dòng)力學(xué),將消旋過(guò)程分為接觸段和非接觸段,以線彈性材料變形力及庫(kù)侖摩擦模型為基礎(chǔ)建立了柔性桿與帆板之間的接觸動(dòng)力學(xué),并基于此設(shè)計(jì)了前饋與反饋相結(jié)合的控制方法。

(2)機(jī)械脈沖消旋

機(jī)械脈沖法對(duì)空間非合作目標(biāo)進(jìn)行消旋的主要原理是對(duì)空間非合作目標(biāo)施加離散的外部接觸力,如圖5所示。產(chǎn)生機(jī)械脈沖的方式有許多,例如:利用機(jī)械臂末端的軟墊式執(zhí)行器、利用發(fā)動(dòng)機(jī)羽流、利用機(jī)械臂關(guān)節(jié)處的磁流變阻尼器等。下面對(duì)機(jī)械脈沖消旋的方法進(jìn)行總結(jié)。

Kawamoto S等[13]總結(jié)了機(jī)械脈沖消旋的主要操作步驟,并分析了機(jī)械脈沖法消旋的主要優(yōu)點(diǎn)是不需要事先估計(jì)得到非合作目標(biāo)的自旋姿態(tài)和角速度,也不需要實(shí)時(shí)反饋控制力矩,只要調(diào)整脈沖作用力的作用點(diǎn),就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)自由翻滾非合作目標(biāo)的消旋控制。這種方法的消旋力矩很大,作用效果明顯,缺點(diǎn)是操作過(guò)程中存在一定的危險(xiǎn),可能會(huì)產(chǎn)生新的碎片。

圖5 機(jī)械脈沖對(duì)空間非合作目標(biāo)消旋示意圖

為避免機(jī)械臂與目標(biāo)之間的剛性碰撞,不影響非合作目標(biāo)自旋的穩(wěn)定,Matunaga等[14]設(shè)計(jì)了軟墊式阻尼器消旋方法。在機(jī)械臂的末端安裝一個(gè)利用內(nèi)部均勻壓強(qiáng)展開(kāi)的柔軟材質(zhì)的球狀緩沖器,使得機(jī)械臂抓捕目標(biāo)時(shí),緩沖器與目標(biāo)之間會(huì)產(chǎn)生阻力,包括機(jī)械臂末端執(zhí)行器與目標(biāo)之間由于相對(duì)滑動(dòng)產(chǎn)生的摩擦力,以及與目標(biāo)自旋方向相反的推力,能夠減小目標(biāo)自旋的角動(dòng)量。消旋力矩的大小主要取決于碰撞時(shí)刻球型執(zhí)行器的形變程度。

另一種機(jī)械脈沖消旋方法是利用發(fā)動(dòng)機(jī)羽流減小目標(biāo)自旋角速度,如圖6所示。JASA的研究人員Yu Nakajima等[15]利用推進(jìn)器燃燒產(chǎn)生的羽流對(duì)非合作目標(biāo)施加控制力矩,避免了服務(wù)航天器與目標(biāo)之間的接觸,降低了兩者之間的碰撞危險(xiǎn)。該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,只需多攜帶一些燃料即可。缺點(diǎn)是羽流會(huì)造成空間環(huán)境的二次污染,影響衛(wèi)星的性能。

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)羽流消旋示意圖[15]

磁流變阻尼器消旋[16]方法是利用在關(guān)節(jié)處安裝有磁流變阻尼器的空間機(jī)械臂來(lái)抓捕空間自旋目標(biāo)并保持其穩(wěn)定的方法。磁流變阻尼器由一種智能材料構(gòu)成,這種材料通常情況下是液體,但是當(dāng)磁場(chǎng)出現(xiàn)時(shí),又會(huì)固化成糊狀;當(dāng)磁力消失時(shí),又會(huì)重新液化。且其糊化狀態(tài)可由加在其上的電流大小加以控制。磁流變阻尼器可以在不知道機(jī)械臂和目標(biāo)動(dòng)力學(xué)信息的條件下有效地減小自旋目標(biāo)的角動(dòng)量,并且讓它和基座呈相對(duì)靜止關(guān)系。

由于機(jī)械臂與目標(biāo)之間的接觸為剛性碰撞,存在一定的危險(xiǎn)性,可能會(huì)產(chǎn)生更多的空間碎片,所以機(jī)械臂一般用在空間非合作目標(biāo)消旋后的捕獲階段。文獻(xiàn) [17-19]研究了利用空間機(jī)械臂對(duì)非合作目標(biāo)的消旋控制,這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可以提供很大的控制力矩,消旋效果明顯,而且實(shí)現(xiàn)了利用一個(gè)裝置就可以同時(shí)完成消旋、捕獲和拖曳離軌的操作。

(3)繩系消旋

基于雙繩系衛(wèi)星的空間碎片消旋捕獲方案[20]是由西北工業(yè)大學(xué)陳詩(shī)瑜等提出的,主要消旋過(guò)程為:雙繩衛(wèi)星首先接近旋轉(zhuǎn)的空間非合作目標(biāo),用繩子彈射回收裝置自目標(biāo)的兩邊彈射可吸附繩,由繩頭吸盤、輔助吸盤吸附在目標(biāo)上后,由于其旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)使得吸附繩繞在目標(biāo)上;啟動(dòng)繩子彈射回收系統(tǒng)向回拉扯吸附繩,通過(guò)力傳感器測(cè)定數(shù)值,臨近所設(shè)定的承力閾值時(shí)放松,如此往復(fù)直至目標(biāo)轉(zhuǎn)速下降至一定范圍內(nèi),最后由衛(wèi)星主體上的機(jī)械臂將其捕獲。

(4)靜電力消旋

電子束消旋:電子束是指以近似一致的速度沿幾乎同一方向運(yùn)動(dòng)的一群電子?；趲?kù)侖力的原理,可以通過(guò)對(duì)非合作目標(biāo)發(fā)射電子束實(shí)現(xiàn)消旋控制。

服務(wù)航天器通過(guò)向目標(biāo)噴射電子使目標(biāo)帶負(fù)電荷,同時(shí)可以向空間噴射正離子或電子實(shí)現(xiàn)對(duì)自身帶電荷的正負(fù)和電荷量的控制,從而控制自身電場(chǎng)。帶有負(fù)電荷的非合作目標(biāo)由于本身的旋轉(zhuǎn),電荷在其表面呈現(xiàn)出不均勻分布,當(dāng)其在服務(wù)航天器形成的電場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)時(shí),由于庫(kù)侖力的合力矩作用產(chǎn)生阻尼力矩,從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的消旋。文獻(xiàn) [21,23]提出了一種基于庫(kù)侖力的消旋技術(shù),并分析了庫(kù)侖力的大小主要取決于服務(wù)航天器與目標(biāo)之間的距離、兩者的相對(duì)幾何結(jié)構(gòu)以及相對(duì)位置關(guān)系。

為了驗(yàn)證發(fā)射電子束產(chǎn)生庫(kù)侖力對(duì)目標(biāo)進(jìn)行消旋方法的有效性,Bombardelli C等[22]分析了對(duì)目標(biāo)發(fā)射電子束時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)量與庫(kù)侖力阻礙目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)量之間的關(guān)系,通過(guò)仿真分析得到了前者幅值的數(shù)量級(jí)要低于后者的結(jié)論,說(shuō)明該方法是有效的。

上述的研究方案都沒(méi)有考慮電子電荷在服務(wù)航天器與非合作目標(biāo)之間的轉(zhuǎn)移問(wèn)題。當(dāng)非合作目標(biāo)的結(jié)構(gòu)不對(duì)稱時(shí),靜電力的強(qiáng)度將隨著服務(wù)航天器姿態(tài)的變化而發(fā)生顯著地變化,這是由于目標(biāo)的不對(duì)稱性使得電荷發(fā)生了再分布。而且電子束消旋方法的基本要求是服務(wù)航天器與目標(biāo)之間的相對(duì)位置距離很短,在這種情況下由目標(biāo)發(fā)射的二次電荷 (如紫外輻射誘發(fā)的光電子、空間環(huán)境中等離子體粒子的合成等)都會(huì)影響靜電力的強(qiáng)度。為了提高靜電力消旋的效率,文獻(xiàn) [24-26]在考慮了上述問(wèn)題的情況下,根據(jù)目標(biāo)的自旋角速度和幾何結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)了服務(wù)航天器的幾何尺寸和形狀,并且提出了位置固定反饋控制算法。

(5)電磁消旋

由于衛(wèi)星表面的材料是非磁化金屬導(dǎo)體,當(dāng)其與磁場(chǎng)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,在其表面會(huì)有渦流產(chǎn)生,如圖7所示。又結(jié)合楞次定律與安培定理,通電導(dǎo)體在地磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)會(huì)有安培力產(chǎn)生,安培力的方向與其角速度的方向相反,因此可以使其角速度減小,從而達(dá)到消旋的目的。電磁消旋的優(yōu)點(diǎn)是:服務(wù)航天器與目標(biāo)之間非直接接觸,不會(huì)有碰撞的危險(xiǎn);只要是磁場(chǎng)靜止目標(biāo)自旋的情況,那么渦流力矩的作用一定是消旋,絕對(duì)不會(huì)造成起旋。此方法的缺點(diǎn)是消旋力矩小,消旋時(shí)間長(zhǎng)。

圖7 渦流力矩消旋示意圖[34]

NASA、國(guó)防科技大學(xué)、南京紫金山天文臺(tái)等單位[27-31]分析了空間中地磁場(chǎng)對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)的影響。由于地磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度很小,所以產(chǎn)生的消旋力矩很小,消旋作用不明顯,消旋時(shí)間長(zhǎng)。Praly等[32]討論了由阿麗亞娜火箭產(chǎn)生的空間碎片在地磁場(chǎng)作用下的渦流效應(yīng),說(shuō)明了磁場(chǎng)會(huì)阻尼空間碎片的運(yùn)動(dòng)。但這種消旋方式不能控制磁場(chǎng)方位,無(wú)法對(duì)平行于地磁場(chǎng)方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行消旋。

產(chǎn)生渦流的方法主要有兩種,一種是利用大型交流線圈產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng),并基于畢奧薩伐爾定律計(jì)算電流元可以激發(fā)的磁場(chǎng)強(qiáng)度。這種方式需要外部提供能量輸入維持閉合回路的電流,若要提高輸入能量的利用率,應(yīng)該使用超導(dǎo)材料制作交流線圈。另一種方式是利用永磁體建立磁場(chǎng),不需要外部輸入額外的能量。為提高磁場(chǎng)強(qiáng)度的幅值,應(yīng)該使用剩磁、矯頑力和最大磁能積都比較大的材料 (例如:稀土合金)制作永磁體[33]。上述兩種產(chǎn)生磁場(chǎng)的方案為后續(xù)研究渦流消旋力矩奠定了一定基礎(chǔ)。

針對(duì)空間非合作目標(biāo)單軸自旋及存在章動(dòng)角作翻滾運(yùn)動(dòng)的情況,Reinhardt[34]和Sugai F[35]分別設(shè)計(jì)了基于渦流力矩的消旋控制方案。2個(gè)方案之間的聯(lián)系為可以先消除目標(biāo)自旋的章動(dòng)角,將非合作目標(biāo)從翻滾運(yùn)動(dòng)變?yōu)閱屋S自旋,然后再將外部磁場(chǎng)的方向調(diào)整為與自旋軸垂直的方向,消除目標(biāo)自旋角速度。在完成了數(shù)值仿真驗(yàn)證的基礎(chǔ)上,建立了實(shí)物系統(tǒng),如圖8所示,通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了此方案的可行性和有效性。西北工業(yè)大學(xué)的駱光照等[36]針對(duì)目標(biāo)自由翻滾的情況,將3組相互垂直的線圈分別置放在垂直于目標(biāo)3個(gè)本體坐標(biāo)軸的方向上,通過(guò)設(shè)置線圈電流的大小實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)三軸轉(zhuǎn)動(dòng)的控制。

圖8 渦流消旋地面試驗(yàn)裝置[35]

南安普頓大學(xué)的Natalia等[37-41]設(shè)計(jì)了磁梯度張量計(jì)算渦流消旋力矩,磁梯度張量的大小只與非合作目標(biāo)的幾何形狀與電導(dǎo)率有關(guān)。當(dāng)目標(biāo)確定時(shí),磁梯度張量的數(shù)值是不變的。通過(guò)地磁場(chǎng)對(duì)Envisat衛(wèi)星自旋角速度的影響證明了該理論的準(zhǔn)確性?；诖盘荻葟埩坷碚?提出了利用渦流力矩消旋的方案,并且設(shè)計(jì)了導(dǎo)航制導(dǎo)與控制系統(tǒng),通過(guò)控制服務(wù)航天器與非合作目標(biāo)之間的相對(duì)位置和相對(duì)姿態(tài)以得到最大的渦流消旋力矩。

由于渦流消旋力矩的大小與碎片運(yùn)動(dòng)速度有關(guān),當(dāng)碎片旋轉(zhuǎn)的速度變慢時(shí),渦流力矩也會(huì)變小。在整個(gè)消旋控制過(guò)程中,碎片的自旋角速度會(huì)越來(lái)越小,因此力矩也會(huì)越來(lái)越小,使得消旋的時(shí)間變長(zhǎng)。駱光照等[42-43]為了解決這個(gè)問(wèn)題,提出了兩種方案,一種方案是在恒定磁場(chǎng)的基礎(chǔ)上疊加一個(gè)交變的磁場(chǎng),方向與恒定磁場(chǎng)方向垂直,以增大渦流力矩;另一種方法是使恒定磁場(chǎng)以與空間碎片角速度相反的方向運(yùn)動(dòng),增加兩者間的相對(duì)速度,提高消旋效率。

以上為基于能量轉(zhuǎn)移原理與能量損耗原理的空間非合作目標(biāo)消旋控制方案的總結(jié)與關(guān)鍵技術(shù)分析。通過(guò)上述內(nèi)容可以了解到,基于能量轉(zhuǎn)移的消旋總體來(lái)說(shuō)可以提供的消旋力矩的數(shù)量級(jí)和自由度比較小,適合體積小、幾何形狀規(guī)則、自旋角速度小的單軸自旋非合作目標(biāo);相反的,基于能量損耗的消旋方案能夠提供較大的消旋力矩,適合空間自由翻滾非合作目標(biāo)的消旋控制,但是其實(shí)施的危險(xiǎn)性較高,容易造成服務(wù)航天器失穩(wěn)。因此要針對(duì)不同的目標(biāo),選擇最優(yōu)的消旋方案,在保證安全性和穩(wěn)定性的情況下達(dá)到最好的消旋效果?？臻g非合作目標(biāo)消旋方案的總結(jié)見(jiàn)表1。

表1 空間非合作目標(biāo)消旋方案總結(jié)

2 結(jié)論與展望

針對(duì)不同幾何結(jié)構(gòu)、不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的空間非合作目標(biāo),為了設(shè)計(jì)最優(yōu)的消旋控制方案確?？臻g非合作目標(biāo)在軌捕獲任務(wù)順利、安全、成功的實(shí)施,本文對(duì)已有的消旋方案進(jìn)行了總結(jié)歸類與分析,劃分為基于能量轉(zhuǎn)移的消旋方案和基于能量損耗的消旋方案。由于消旋的目的是為了能夠安全、穩(wěn)定地捕獲空間非合作目標(biāo),所以期望消旋過(guò)程能夠快速有效地進(jìn)行。從目前的各種方案來(lái)看,基于能量損耗的消旋方案能夠提供較大數(shù)量級(jí)的消旋力矩,但需要較高的控制精度保證服務(wù)航天器的穩(wěn)定性;而基于能量轉(zhuǎn)移的消旋方案控制策略簡(jiǎn)單,但消旋效率不高。

在將來(lái)的空間非合作目標(biāo)在軌捕獲任務(wù)中,由于空間環(huán)境的進(jìn)一步惡化,任務(wù)難度將會(huì)大大提升,因此就對(duì)空間非合作目標(biāo)消旋控制提出了更高的要求。首先需要對(duì)非合作目標(biāo)的姿態(tài)信息進(jìn)行快速、精確地在軌辨識(shí),針對(duì)無(wú)法獲取非合作目標(biāo)測(cè)量信息的情況,可以采取電磁消旋的方式;針對(duì)一次發(fā)射需要清除多個(gè)空間非合作目標(biāo)的情況,可以使用繩網(wǎng)消旋的方式。同時(shí)若消旋裝置兼具捕獲、輔助離軌功能 (如機(jī)械臂)的話,也將大大提高空間非合作目標(biāo)在軌捕獲的效率。