郭吉豐，王 班,2，譚春林，劉永健，孫國鵬

(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)機械工程學(xué)院，杭州 310018；3. 北京空間飛行器設(shè)計總體部，北京 100094)

0 引 言

在軌服務(wù)系統(tǒng)的目標航天器一般分為合作目標和非合作目標。合作目標經(jīng)過特殊設(shè)計具有與服務(wù)航天器相適應(yīng)的結(jié)構(gòu)組件、信標或?qū)訖C構(gòu)，而非合作目標則與服務(wù)航天器間無相應(yīng)適配機制，如空間碎片、廢棄衛(wèi)星以及敵方衛(wèi)星等均屬于此類。空間非合作目標在軌服務(wù)技術(shù)實現(xiàn)難度要遠大于合作目標的實現(xiàn)難度，然而，目前大多數(shù)的客戶系統(tǒng)均為未經(jīng)過特殊設(shè)計的，因而非合作目標在軌服務(wù)技術(shù)是亟待解決的難題，而非合作目標物的捕獲技術(shù)則是實現(xiàn)在軌服務(wù)的重要前提之一。

空間機器人技術(shù)的逐漸成熟使得剛性捕獲方式更早地投入實際航天工程運用[1-3]，如美國的軌道快車(Orbital Express)計劃[4]，加拿大的空間機械臂系統(tǒng)(SRMS)[5]，歐洲宇航局的歐洲機械臂系統(tǒng)ERA[6]，日本的JEMRMS(Japanese Experimental Module Remote Manipulator System)機械臂系統(tǒng)[7]與ETS-Ⅶ[8]，德國的機器人技術(shù)試驗ROTEX(Roboter Technology Experiment)項目[9]等。上述任務(wù)系統(tǒng)均以剛性機械臂作為捕獲執(zhí)行機構(gòu)，捕獲距離受限，且需在捕獲機構(gòu)上安裝距離、力/力矩、觸覺等傳感器以保證對接碰撞過程的安全，特別是在空間懸浮狀態(tài)下多剛體機械臂捕獲目標物后質(zhì)心、轉(zhuǎn)動慣量等系統(tǒng)參數(shù)易發(fā)生改變以及目標物自旋給系統(tǒng)控制帶來較大困難，對空間非合作目標捕獲難以奏效。柔性捕獲概念是近年提出的，以網(wǎng)或布等柔性結(jié)構(gòu)覆蓋包裹目標物或通過機械手抓取目標物后通過柔性連接物(如繩索)與任務(wù)航天器形成可靠連接的組合體，是近年來空間研究的熱點之一[10]。國外多家知名航空機構(gòu)都早有布局，對空間非合作目標物的柔性捕獲進行過相關(guān)研究[11-13]。國內(nèi)相關(guān)研究院所及高校也對柔性捕獲技術(shù)進行了大量的研究，取得了一定研究成果?？臻g柔性捕獲技術(shù)涉及到力學(xué)、機械、電氣、控制及材料等多個學(xué)科，在總體方案設(shè)計、動力學(xué)分析及控制系統(tǒng)設(shè)計等多個方面都存在較多的科學(xué)問題需要研究，國內(nèi)尚未有文獻對空間非合作目標物柔性捕獲中的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)進行綜述與分析。本文對空間非合作目標物捕獲過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構(gòu)等技術(shù)進展進行分析與討論，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)為捕獲后目標物與任務(wù)平臺之間的柔性連接(如飛爪等繩系捕獲)。根據(jù)捕獲執(zhí)行機構(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)捕獲是在空間展開一張大面積的繩網(wǎng)對空間目標物進行捕獲的技術(shù)，是空間柔性捕獲中較為成熟的技術(shù)之一。繩網(wǎng)的展開有多種方式，如拋射展開、旋轉(zhuǎn)展開、自主機動展開及支撐展開等。

1.1.1拋射展開

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

2002年，歐洲航天局ESA (European Space Agency)提出了地球同步軌道清理機器人ROGER項目[11]。ROGER機器人捕獲過程如圖1所示，ROGER被發(fā)射進入地球同步轉(zhuǎn)移軌道GTO (Geostationary Transfer Orbit)后與運載火箭分離，然后在遠地點點火機動至地球同步軌道GEO (Geosynchronous Earth Orbit)附近，并經(jīng)過多次軌道機動與目標物進行交會，當ROGER和非合作目標物距離在捕獲范圍內(nèi)時向非合作目標物發(fā)射繩網(wǎng)，繩網(wǎng)在發(fā)射過程中完全展開并將非合作目標物完全包裹、鎖緊而完成捕獲，ROGER再次點火機動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，準備下一次捕獲任務(wù)。ROGER項目利用發(fā)射器將4個質(zhì)量為1 kg的質(zhì)量塊發(fā)射，將繩網(wǎng)拉出、展開，屬于典型的拋射展開。該項目在2003年完成方案評審后未見后續(xù)公開報道，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(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)給地球和太空帶來的環(huán)境沖擊，對諸如拋射網(wǎng)、夾緊機構(gòu)和魚叉在內(nèi)的多種捕獲裝置進行研究，此項目可看作是ROGER項目的延續(xù)。2015年，ESA在獵鷹20拋物線飛機模擬的失重環(huán)境中進行了繩網(wǎng)捕獲系統(tǒng)的縮比試驗[18]，該試驗主要驗證所設(shè)計的仿真工具的有效性，為將來設(shè)計真實尺寸的繩網(wǎng)捕獲系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

圖1 ROGER空間繩網(wǎng)捕獲過程概念圖

2006年開始，我國也立項對空間繩網(wǎng)捕獲技術(shù)開展相關(guān)研究，捕獲系統(tǒng)由任務(wù)平臺、系繩收放裝置、系繩、繩網(wǎng)和若干收口質(zhì)量塊等組成[19]。在捕獲動作進行的前期，任務(wù)平臺調(diào)整到與目標物較近距離(百米級)，通過發(fā)射器將柔性繩網(wǎng)發(fā)射，拋射的質(zhì)量塊牽引展開繩網(wǎng)，使其快速接近目標物，當目標物完全落入繩網(wǎng)內(nèi)后，收口質(zhì)量塊動作，將網(wǎng)口收緊鎖死，而后系繩收放裝置根據(jù)要求對目標物進行回收、釋放及拖曳，并通過任務(wù)平臺的軌道調(diào)整使二者進入預(yù)定的廢棄軌道。此項目在繩網(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、收口及捕獲后繩系組合體的動力學(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)空間試驗驗證奠定了堅實基礎(chǔ)。

1.1.2旋轉(zhuǎn)展開

旋轉(zhuǎn)展開是利用旋轉(zhuǎn)離心力展開空間繩網(wǎng)，采用合適的控制策略對展開后的繩網(wǎng)進行保形控制。這種展開方式可以克服直接拋射展開方式中容易出現(xiàn)的繩網(wǎng)纏繞以及繩網(wǎng)保形時間短等問題，使得繩網(wǎng)展開穩(wěn)定性有所提高。

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

圖2 電動力繩系捕獲EDDE原理圖

2012年3月，英國的思克萊德大學(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進行一項名為Suainead的試驗，旨在對空間旋轉(zhuǎn)繩網(wǎng)展開進行技術(shù)驗證[24]。旋轉(zhuǎn)繩網(wǎng)系統(tǒng)從火箭錐部的發(fā)射筒進行彈射發(fā)射，系統(tǒng)發(fā)射時處于旋轉(zhuǎn)運動狀態(tài)，并使用特定的旋轉(zhuǎn)反作用飛輪進行系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)主動控制。當系統(tǒng)達到穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)狀態(tài)時，釋放一個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)生的離心力帶動繩網(wǎng)的展開，該試驗證明了通過旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)空間繩網(wǎng)展開的可行性。

1.1.3自主機動展開

前述拋射展開及旋轉(zhuǎn)展開式繩網(wǎng)系統(tǒng)中，質(zhì)量塊都不具有自主機動功能，主要依靠質(zhì)量塊發(fā)射時的平動速度或者系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)速度將繩網(wǎng)展開，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、易于工程實現(xiàn)，但同時也存在諸如捕獲距離短、機動性差等問題，而自主機動展開就是通過若干具有自主機動功能的質(zhì)量塊或者微小衛(wèi)星進行空間編隊飛行，通過編隊構(gòu)形的變化實現(xiàn)繩網(wǎng)的展開。

2001年，日本東京大學(xué)提出了Furoshiki項目概念[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，可在空間展開高達數(shù)千米的巨型平面結(jié)構(gòu)。根據(jù)柔性膜的不同(繩網(wǎng)、太陽膜和天線)，F(xiàn)uroshiki可分別應(yīng)用于空間大型目標捕獲、空間太陽能發(fā)電和輔助通訊等方面。當其連接繩網(wǎng)進行空間捕獲時，系統(tǒng)復(fù)雜，成本較高，適合抓捕高價值的大型重要目標。

圖3 Furoshiki項目示意圖

2013年，西北工業(yè)大學(xué)的馬駿等[26]針對現(xiàn)有繩網(wǎng)捕獲系統(tǒng)任務(wù)距離和目標多樣性方面的不足，提出了一種新型的“任務(wù)平臺+連接系繩+繩網(wǎng)+自主機動單元”結(jié)構(gòu)的空間繩網(wǎng)機器人系統(tǒng)，如圖4所示，這種自主機動單元編隊捕獲方式克服了傳統(tǒng)空間繩網(wǎng)捕獲機器人在操作性和機動能力方面的不足，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)平臺與繩網(wǎng)系統(tǒng)進行連接，系統(tǒng)設(shè)計相對復(fù)雜。

圖4 新型空間繩網(wǎng)捕獲機器人

針對傳統(tǒng)繩網(wǎng)捕獲系統(tǒng)存在的發(fā)射要求高、捕獲距離短及機動性差等問題，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飛行的自主機動空間繩網(wǎng)捕獲系統(tǒng)的概念。此繩網(wǎng)捕獲系統(tǒng)采用四個具有彈射分離與對接組合功能的微衛(wèi)星，結(jié)合收口繩進行空間編隊飛行，通過編隊構(gòu)形的變化并結(jié)合系繩收放控制實現(xiàn)繩網(wǎng)的展開、保持與收縮等操作?？芍貥?gòu)繩系編隊方式突破了傳統(tǒng)繩系編隊飛行系統(tǒng)編隊前后各飛行器的同步性難題。

1.1.4支撐展開

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

2004年，美國TUI(Tethers Unlimited, Inc.)公司成功開發(fā)了應(yīng)用于空間非合作目標捕獲的GRASP(Grapple, Retrieve, And Secure Payload)技術(shù)，通過對充氣軟管充氣可控地展開一張柔性網(wǎng)對目標物進行包裹、抓捕。為了驗證所設(shè)計的充氣管式末端繩網(wǎng)捕獲機構(gòu)的實用性與有效性，TUI于2014年在拋物線飛機的零重力環(huán)境下進行了模擬捕獲試驗，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帶有冷氣推進系統(tǒng)，每個推進器可提供1 N的推進力，并帶有兩個立體攝像機和一個激光測距儀，在TGM的上平臺頂部安裝有一個三指飛爪，用于抓捕目標物，通過平臺上的卷繞電機收放系繩實現(xiàn)飛爪控制[11]。

2006年，日本宇宙航空開發(fā)機構(gòu)JAXA(Japan Aerospace Exploration Agency)提出的一種利用電動繩系進行低軌廢棄物清理的設(shè)想SDMR(Space Debris Micro-Remover)項目[29-30]。如圖5所示，SDMR其工作過程為：捕獲機器人首先機動與目標物完成交會并對目標物的運動情況進行偵查、測量，然后經(jīng)過繞飛后完成與目標物的最終接近并通過可伸展捕獲爪捕獲目標物，捕獲目標物后釋放電動力系繩，此系繩與捕獲爪根部相連，最后通過機器人的噴氣推力與系繩電動力完成組合體的軌道轉(zhuǎn)移。

圖5 日本SDMR項目示意圖

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+空間系繩+操作機器人”的繩爪式空間繩系捕獲機器人，操作機器人上自帶操作機械臂及末端操作爪用于執(zhí)行捕獲目標衛(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器人底部中心部位，另一端與空間平臺連接，抓捕目標時，相機進入測量盲區(qū)接近并引導(dǎo)操作機器人靠近目標，并將其鎖緊限制于某一范圍內(nèi)實現(xiàn)防止目標逃逸。此種繩爪式捕獲方式具有操作半徑大、靈活性強的特點，且繼承了空間機械臂良好的操作功能。

圖6 繩爪式空間繩系捕獲機器人

1.3 口袋式捕獲系統(tǒng)

2012年，美國國家航空航天局NASA (National Aeronautics and Space Administration)提出了小行星捕獲ARM項目[13]。項目方案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的近地軌道后實現(xiàn)分離并將航天器展開，經(jīng)過2.2年后ARM轉(zhuǎn)移到月球軌道，然后利用太陽能電推進系統(tǒng)和月球引力來脫離地月引力系統(tǒng)，再經(jīng)1.7年到達目標小行星軌道后，通過柔性捕獲布袋(如圖7所示)抓捕小行星。為了達到消旋目的，探測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)固在探測器中，然后利用推進系統(tǒng)將探測器和小行星的組合體整體消旋，最后系統(tǒng)離開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、原理驗證和少量空間試驗驗證階段，在總體方案設(shè)計、動力學(xué)分析和控制系統(tǒng)設(shè)計等方面都存在著復(fù)雜的問題需要研究，距離實際工程化應(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、樣機研制及空間試驗方面都積累了一定的基礎(chǔ)，是未來行之有效、可工程實現(xiàn)的柔性捕獲方式之一。

2 空間非合作目標物消旋技術(shù)

空間非合作目標(失控衛(wèi)星、空間垃圾等)在空間攝動力作用下大多處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，旋轉(zhuǎn)軸存在長期章動，對空間非合作目標采取措施實現(xiàn)大幅消旋是非合作目標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接觸，空間非合作目標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]等非接觸力對目標進行消旋可以有效減少碰撞風險，在安全距離外作業(yè)消除目標的三軸轉(zhuǎn)速。一般來講非接觸式消旋提供的消旋力/力矩較小，且在軌具體實現(xiàn)難度大，目前多處于概念設(shè)計階段。消旋力/力矩與目標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)量較大目標物的快速消旋，主要包含摩擦力消旋、機械臂控制消旋、柔性系繩消旋、觸須粘附式和折疊桿件式等消旋方案。

2001年，日本國家航空航天實驗室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章動角和自旋轉(zhuǎn)速的方法，最終完全衰減了目標物的3軸轉(zhuǎn)動速度，給出了脈沖次數(shù)的優(yōu)化過程。2007年，日本名古屋大學(xué)的Yoshikawa和Yamada[37]針對空間機械臂捕獲機構(gòu)，提出了使用機械臂通過接觸點對旋轉(zhuǎn)非合作目標物施加脈動推力的方式實現(xiàn)目標物的消旋方案。機械臂控制消旋方式模型相對精確，消旋效率較高，但也存在碰撞風險大，控制較復(fù)雜等缺點。

2011年，日本JAXA的Nishida等[30]在研究使用電動力繩系機器人捕獲空間非合作目標物時，提出了利用末端執(zhí)行機構(gòu)攜帶的柔性刷，通過控制柔性刷與目標物的摩擦力大小對旋轉(zhuǎn)較快(3～30(°)/s)的目標物進行消旋控制[30]。柔性刷摩擦消旋是一種在抓捕前對目標進行消旋的方法，帶來的沖擊相對較小，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。但這類消旋方法實施前需要服務(wù)航天器進行復(fù)雜的變軌繞飛，接近?？吭诰嗄繕朔浅＝奈恢锰帯?/p>

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

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)是否同一機構(gòu)及其作業(yè)特點將接觸式消旋簡單歸納如表1所示。能同時滿足消旋+捕獲或消旋+離軌的一步式消旋方法更具前景，可以將一個空間碎片主動移除任務(wù)多個環(huán)節(jié)進行簡化，減輕任務(wù)有效載荷。

表1 各類接觸式消旋方法的特點

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。從太空環(huán)境的特殊性以及捕獲任務(wù)出發(fā)，對系繩有多方面的要求：強度高、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)雜的動力學(xué)特性，其動力學(xué)特性不僅在微觀上與材料本身的分子機構(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。在進行空間系繩系統(tǒng)動力學(xué)分析時，一般根據(jù)實際情況，采用各種簡化的模型對系繩進行描述，已有不少文獻對系繩模型進行了總結(jié)與比較[41-42]。應(yīng)用比較多的系繩簡化模型一般可分為5種。

1)輕質(zhì)剛體模型。不計系繩質(zhì)量，不計系繩彈性，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]，當將系繩兩端所連接的航天器也作為質(zhì)點考慮，此時整個繩系系統(tǒng)模型被稱之為“啞鈴模型”，是空間繩系系統(tǒng)中最簡單的模型。此種模型主要專注于系統(tǒng)的質(zhì)心運動，此時系繩對其連接的兩個航天器起著位置約束的作用。這種模型建立的系統(tǒng)方程相對簡單，有利于降低控制器設(shè)計的難度和提高計算效率，又能描述系統(tǒng)的姿態(tài)運動，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。不計系繩質(zhì)量，計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系繩進行建模[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，當它在受壓時，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，當它受微小的拉力作用時，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??；只有當拉力比較大時，繩索中的纖維才會被拉緊，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，可對上述線性Kelvin-Voigt模型加以改進[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，加載與減載過程曲線不重合。趙國偉等[48]在研究柔性繩索體展開過程時，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系繩高度非對稱的遲滯現(xiàn)象，并提出了模型參數(shù)分步識別方法。

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質(zhì)量直桿相連的質(zhì)點[50]。直桿與質(zhì)點之間通過活動鉸鏈連接，因此可以自由轉(zhuǎn)動，以此來模擬系繩的柔性，建模時將系繩所受外力集中施加在節(jié)點上，根據(jù)系繩線密度通過集中質(zhì)量法確定節(jié)點質(zhì)量。模型中離散單元的數(shù)目可變，通過僅改變離系繩收放點最近的單元的屬性(如長度、質(zhì)量)，并于適當?shù)臅r候(當最前端單元的長度超過或低于預(yù)先給定的閥值時)在離散單元鏈的最前端加入或移除一個單元來模擬系繩的收放過程。

4)集中質(zhì)量彈性體模型。此種模型在實際應(yīng)用中最為廣泛，既考慮了系繩質(zhì)量又考慮了系繩彈性，能相對比較全面的表現(xiàn)系繩特性且模型不復(fù)雜，方便編程計算與仿真。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，系繩所受其他外力都作用在各質(zhì)點上[51]。根據(jù)實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[52]。

5)連續(xù)彈性體模型。考慮系繩位形與連續(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的偏置問題，所得的模型代數(shù)/偏微分方程相當復(fù)雜，基本無法求出其解，只能通過數(shù)值計算進行研究。

上述系繩等效模型是研究者針對不同的研究背景及不同的側(cè)重點對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)有利于快速對空間繩系系統(tǒng)構(gòu)成基本的認識。在基本的物理現(xiàn)象得到闡述與認識之后，研究的重點轉(zhuǎn)移到系統(tǒng)更為精細的物理現(xiàn)象，如系統(tǒng)的縱向振動等，此時一般需要將系繩彈性考慮進去，將系繩等效為無質(zhì)量的彈性桿(模型2)。當系繩本身質(zhì)量較大時，還會引起空間繩系系統(tǒng)的橫向振動及跳繩運動等，這時系繩分布質(zhì)量特性必須要考慮到模型中去，將系繩離散成細小的系繩單元，系繩單元的質(zhì)量被考慮為質(zhì)點，整個系繩被等效成由剛性桿連接的質(zhì)點(模型3)或者由彈簧、阻尼連接的質(zhì)點(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。針對不同的研究背景可以根據(jù)實際情況對系繩模型進行選擇與改進。初步試驗發(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繩系組合體的動力學(xué)分析及控制系統(tǒng)設(shè)計具有重大意義。

3.2 系繩控制裝置

3.2.1系繩長度控制

主要進行系繩長度或速率控制，對系繩張力沒有要求，這類系繩控制機構(gòu)相對簡單，一般使用動力部件驅(qū)動卷筒即可實現(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)星地面模擬實驗中設(shè)計了一種簡單的系繩卷取機構(gòu)，主要包括基座、卷線軸、電機(集成編碼器)和電機驅(qū)動器，可實現(xiàn)短距離的繩長控制。此機構(gòu)具有一定的擴展性，可通過在出繩口處加裝張力傳感器實現(xiàn)系繩的張力閉環(huán)控制。由于是用于地面氣浮平臺實驗，因此此機構(gòu)卷取的系繩長度有限。

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)與目標物完成交會、接觸后需要通過收口機構(gòu)卷取收口繩將網(wǎng)口收攏、鎖死而完成任務(wù)平臺與目標物的可靠連接。ROGER項目中的電收口機構(gòu)主要由驅(qū)動電機、卷繩筒、供電電池和微開關(guān)等組成，當繩網(wǎng)捕獲到目標物后，傳感器觸發(fā)開關(guān)，通過驅(qū)動電機帶動卷繩筒旋轉(zhuǎn)實現(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為60 m左右，因此此收口機構(gòu)是一種短距離系繩收放機構(gòu)，并具有控制靈活、便于實現(xiàn)自主觸發(fā)關(guān)停、測距和遙控等智能操作[11]。國防科技大學(xué)的陳欽[57]提出了使用彈簧儲能的機械式繩網(wǎng)收口機構(gòu)，機構(gòu)中有機械式鎖死機構(gòu)，使得系繩卷入收口機構(gòu)中就不能被拉出，即只能單向回收。此機械式收口機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、成本低，但因儲能少而不利于長距離卷取，也不利于重復(fù)使用。浙江大學(xué)的易琳等[58]針對繩網(wǎng)收口，設(shè)計了電驅(qū)動式的自適應(yīng)收口質(zhì)量塊，此機構(gòu)借鑒了雙轉(zhuǎn)子電機結(jié)構(gòu)的思路，即定子和轉(zhuǎn)子都自由轉(zhuǎn)動，可分別帶動兩卷筒對兩根系繩進行卷取。當兩根收口繩長度不一樣時，收口質(zhì)量塊也能完成收口任務(wù)，具有較強的自適應(yīng)功能。

3.2.2系繩張力控制機構(gòu)

此類機構(gòu)一般在進行系繩卷取的同時還要進行系繩張力控制。張力控制可采用張力傳感器實時檢測系繩張力，通過控制驅(qū)動電機對張力進行閉環(huán)控制，也可以通過單獨的張力控制模塊對系繩張力進行控制。

日本東京工業(yè)大學(xué)的Mori等[59]在研究使用繩系衛(wèi)星編隊飛行展開薄膜時，提出了一種系繩張力閉環(huán)控制機構(gòu)。該機構(gòu)用兩個電機分別控制機構(gòu)內(nèi)部和外部的系繩張力，機構(gòu)還采用了3個張力傳感器以測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，排線裝置的動力由固連在卷筒上的皮帶輪通過皮帶提供。

圖8 東京工業(yè)大學(xué)研制的張力控制機構(gòu)

美國麻省理工大學(xué)的Chung等[60]針對NASA宇宙演化的亞毫米探測結(jié)構(gòu)任務(wù)，改進了前述用來探測宇宙早期亞毫米波長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構(gòu)。此系繩控制機構(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、傳動主軸、驅(qū)動電機和卷繩筒等組件。驅(qū)動電機控制系繩卷取，超聲波收發(fā)器完成航天器相對位置測量，6自由度張力傳感器既能夠測量系繩張力的大小，又能根據(jù)系繩張力在各坐標軸上的分量計算出系繩姿態(tài)入角[60]，實現(xiàn)了系繩姿態(tài)入角的無接觸式測量。

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構(gòu)。通過論證空間繩系組合體可能存在的多種運動現(xiàn)象，對機構(gòu)提出了系繩姿態(tài)角、繩長及張力等方面的功能需求，據(jù)此研制了如圖10所示的張力控制機構(gòu)樣機，并分析討論了張力控制機構(gòu)的張力跟蹤等各類靜、動態(tài)性能。

圖9 麻省理工大學(xué)研制的張力控制機構(gòu)

圖10 浙江大學(xué)研制的張力控制機構(gòu)

前述幾種空間系繩張力控制機構(gòu)都是通過控制卷繞電機實現(xiàn)張力閉環(huán)控制的，也可通過獨立的張力控制模塊對張力實現(xiàn)單獨控制，比較常用的是“螺旋軸”張力控制方式，通過調(diào)節(jié)系繩釋放時的摩擦力來實現(xiàn)系繩張力的單獨控制。在軌繩系衛(wèi)星項目如YES系列項目及SEDS系列項目等都采取了這種“螺旋軸”方式實現(xiàn)系繩張力控制。以YES-2項目中的系繩釋放機構(gòu)為例[62]，其原理如圖11所示，系繩從儲繩筒出來后，螺旋纏繞于一軸上，此軸由伺服電機驅(qū)動，伺服電機配合蝸輪蝸桿帶動旋轉(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構(gòu)

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

4 結(jié) 論

對比分析幾種空間柔性捕獲技術(shù)可知，針對繩網(wǎng)及繩爪式繩系捕獲技術(shù)，國內(nèi)外在理論分析、樣機研制及空間試驗方面都積累了一定的基礎(chǔ)，是未來行之有效、可工程實現(xiàn)的柔性捕獲方式之一，是在軌捕獲技術(shù)未來發(fā)展的一個新方向。針對空間繩系捕獲技術(shù)，以下幾個關(guān)鍵技術(shù)需要重點解決。

1)捕獲前的目標物各類參數(shù)識別技術(shù)

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

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，且當系繩較長(大尺度)時，還會呈現(xiàn)變阻尼和遲滯特性等，其特性如何描述和識別，空間繩系組合體如何活用此特性進行防沖擊、翻滾等，都是亟待解決的問題。

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、擺動及旋轉(zhuǎn)等運動形式是相互耦合的，一種運動的抑制可能激發(fā)其他類運動。另一方面，要兼顧幾類運動的有效抑制，使組合體穩(wěn)定控制過程的拖曳策略具有容錯性、自適應(yīng)性和安全性。

4)地面試驗驗證技術(shù)

對空間繩系捕獲系統(tǒng)進行地面仿真試驗，可以校驗理論結(jié)果是否正確，有利于在進行在軌試驗前發(fā)現(xiàn)問題。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、太陽光壓、日月引力等攝動的影響。因此，有必要搭建能夠真實反映空間動力學(xué)環(huán)境的地面試驗驗證平臺，進而開展地面仿真校驗試驗，為進一步的空間在軌試驗奠定基礎(chǔ)。