胡永新，黃攀峰*，劉習(xí)堯

(1.西北工業(yè)大學(xué)航天飛行動(dòng)力學(xué)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710072； 2.西北工業(yè)大學(xué)智能機(jī)器人研究中心，西安 710072)

1 引言

先進(jìn)的空間技術(shù)能夠大大提高戰(zhàn)略威懾，保障國(guó)家安全，并且能夠在民生領(lǐng)域發(fā)揮重大作用，各個(gè)航天大國(guó)都在積極發(fā)展空間科學(xué)技術(shù)，并開展空間探索活動(dòng)。迄今為止，人類進(jìn)行了約6090次火箭發(fā)射活動(dòng)。但是隨著太空活動(dòng)的增加，空間環(huán)境惡化嚴(yán)重，軌道資源緊缺、空間碎片激增等問題嚴(yán)重影響空間活動(dòng)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(jì)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(gè)數(shù)約為7510個(gè)，其中僅4500顆仍然能夠正常工作。導(dǎo)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(gè)。

全球商業(yè)航天也已經(jīng)呈現(xiàn)出了爆炸式增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，具有代表性的是美國(guó)太空探索技術(shù)(SpaceX)公司推出的總計(jì)42000顆衛(wèi)星的“星鏈”(Starlink)衛(wèi)星星座(圖1(a))、美國(guó)一網(wǎng)(OneWeb)公司推出總計(jì)6372顆衛(wèi)星的“一網(wǎng)”(Oneweb)衛(wèi)星星座(圖1(b))，中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司推出的“鴻雁”全球通信衛(wèi)星星座[2]。可以預(yù)見的是未來地球軌道必將會(huì)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(huì)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(jià)值衛(wèi)星由于各種原因失效，比如我國(guó)在2006年發(fā)射的地球同步軌道衛(wèi)星“鑫諾二號(hào)”，由于太陽(yáng)帆板未正常打開而失效，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)到20億元人民幣，潛在經(jīng)濟(jì)損失達(dá)到1000億元人民幣[4]。2015年美國(guó)“主被動(dòng)土壤水分監(jiān)測(cè)衛(wèi)星”，入軌后僅工作三個(gè)月便因主動(dòng)雷達(dá)停止運(yùn)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(dá)到使用壽命約15顆，自主成功離軌約6.5顆，事實(shí)上其中部分高價(jià)值衛(wèi)星的功能依然存在，只需要進(jìn)行系統(tǒng)升級(jí)或燃料加注便能夠繼續(xù)正常在軌運(yùn)行，達(dá)到“起死回生”的效果，進(jìn)而能夠?qū)崿F(xiàn)在軌資源的高效利用。

目前，各航天大國(guó)對(duì)空間碎片高效移除的技術(shù)手段均有迫切需求?？臻g碎片移除通常指將高軌碎片移至墳?zāi)管壍溃瑢⒌蛙壦槠浦链髿鈱訜龤?。事?shí)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(dòng)移除技術(shù)主要有以下幾類：

(1)激光主動(dòng)移除空間碎片技術(shù)

激光主動(dòng)移除空間碎片技術(shù)針對(duì)空間碎片的大小有兩種工作模式：針對(duì)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(duì)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(jìn)而獲取反向速度增量改變其初始軌道，實(shí)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(dòng)阻力，如圖3所示，可以加速空間碎片軌道降低，實(shí)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(jī)械臂、捕獲爪或交會(huì)對(duì)接

服務(wù)航天器通過機(jī)械臂、捕獲爪或交會(huì)對(duì)接等手段使自身與目標(biāo)形成穩(wěn)固連接。對(duì)目標(biāo)進(jìn)行維修、燃料加注或利用自身推力器實(shí)現(xiàn)組合體變軌，進(jìn)而達(dá)到移除空間碎片的目的。

(4)繩系系統(tǒng)主動(dòng)移除空間碎片技術(shù)

該技術(shù)主要由包括目標(biāo)捕獲技術(shù)與目標(biāo)離軌技術(shù)。其中目標(biāo)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(biāo)形成穩(wěn)定連接，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的在軌捕獲。目標(biāo)離軌主要包括拖曳離軌和電動(dòng)力系繩離軌。其中拖曳離軌主要是在完成目標(biāo)捕獲后形成組合體，平臺(tái)通過系繩拖動(dòng)目標(biāo)離開現(xiàn)有軌道，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的拖曳變軌；電動(dòng)力系繩離軌則是通過將千米級(jí)導(dǎo)電系繩與空間碎片連接，其軌道運(yùn)動(dòng)切割地球磁力線并在電離子層中形成回路產(chǎn)生電流，進(jìn)而與地球磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生洛倫茲力實(shí)現(xiàn)快速離軌。

2 繩系系統(tǒng)主動(dòng)移除

ESA開展的ROGER項(xiàng)目，研究了地球靜止軌道機(jī)器人對(duì)衛(wèi)星在軌服務(wù)的技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)性，如圖4所示。該技術(shù)可以通過專用服務(wù)衛(wèi)星將在軌衛(wèi)星從地球同步軌道上移除，其任務(wù)方案?jìng)?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(jī)構(gòu)、抓捕器的姿軌控制子系統(tǒng)以及導(dǎo)航制導(dǎo)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(xiàng)目在2003年被終止，但其引領(lǐng)的關(guān)于空間繩系機(jī)器人的研究熱潮一直延續(xù)到現(xiàn)在。

圖4 ROGER項(xiàng)目Fig.4 ROGER Project

ESA開展的RemoveDEBRIS[8，9]項(xiàng)目是世界上首次驗(yàn)證太空垃圾移除技術(shù)，如圖5所示。其驗(yàn)證的捕獲手段包括繩網(wǎng)和繩矛兩種手段，該試驗(yàn)主要包括四部分，分別是繩網(wǎng)捕獲試驗(yàn)、繩矛捕獲試驗(yàn)、基于視覺的導(dǎo)航試驗(yàn)以及利用系繩拖曳離軌試驗(yàn)，于2018年9月16日和2019年2月8日驗(yàn)證了利用繩網(wǎng)和繩矛實(shí)現(xiàn)對(duì)人工目標(biāo)的捕獲。這兩次試驗(yàn)表明了空間繩系系統(tǒng)具有空間碎片主動(dòng)移除的應(yīng)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(biāo)實(shí)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(biāo)，并利用倒刺結(jié)構(gòu)對(duì)目標(biāo)鎖緊。

圖5 RemoveDEBRIS項(xiàng)目Fig.5 RemoveDEBRIS Project

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

空間繩系機(jī)器人[10]為西北工業(yè)大學(xué)研究的利用系繩在太空進(jìn)行抓捕與操作的新型空間機(jī)器人。該機(jī)器人可自主識(shí)別、跟蹤和逼近100m內(nèi)的非合作、失穩(wěn)空間目標(biāo)，對(duì)其太陽(yáng)帆板支架、桿狀天線等進(jìn)行捕獲，并根據(jù)需要進(jìn)行輔助穩(wěn)定、回收、拖曳移除等操作。如圖7所示，該機(jī)器人系統(tǒng)主要由平臺(tái)、系繩、抓捕器組成。抓捕器上配置“單+雙”三目相機(jī)，可自主識(shí)別非合作的空間目標(biāo)并測(cè)量相對(duì)目標(biāo)的位姿信息；自帶12個(gè)推進(jìn)器，并可利用系繩實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的自主逼近，并利用捕獲爪實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)太陽(yáng)帆板支架、桿狀天線等機(jī)構(gòu)的抓捕和鎖緊。然后利用系繩控制器控制系繩，實(shí)現(xiàn)輔助穩(wěn)定、回收、拖曳移除等任務(wù)。任務(wù)完成后，還可利用系繩回收抓捕器，并與分離機(jī)構(gòu)對(duì)接，充電、補(bǔ)加推進(jìn)劑，實(shí)現(xiàn)重復(fù)使用。

圖7 空間繩系機(jī)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(jī)器人操作距離遠(yuǎn)、靈活度高、操作過程對(duì)平臺(tái)安全高，對(duì)目標(biāo)結(jié)束在軌服務(wù)后，可以通過系繩，推力器等回收抓捕器，對(duì)抓捕器進(jìn)行充電和燃料加注，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)重復(fù)使用，具有很高的在軌服務(wù)效率。西北工業(yè)大學(xué)黃攀峰教授團(tuán)隊(duì)針對(duì)空間繩系機(jī)器人中的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)開展研究，研制了國(guó)內(nèi)首個(gè)空間繩系機(jī)器人系統(tǒng)樣機(jī)，可實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)速度≥10°/s目標(biāo)的逼近、抓捕、輔助穩(wěn)定、回收以及拖曳變軌等任務(wù)[11]。其研制的系繩張力機(jī)構(gòu)如圖8所示。

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

空間飛網(wǎng)機(jī)器人主要是利用收口質(zhì)量塊的彈射以及收口實(shí)現(xiàn)飛網(wǎng)的展開和合攏，對(duì)目標(biāo)整體進(jìn)行包絡(luò)捕獲，且對(duì)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(biāo)的部分結(jié)構(gòu)，并利用倒刺結(jié)構(gòu)牢固鎖住目標(biāo)，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(yàn)證為空間非合作目標(biāo)的捕獲提供了新的手段。

2.1 目標(biāo)捕獲技術(shù)

目標(biāo)捕獲是空間繩系系統(tǒng)主動(dòng)碎片移除的關(guān)鍵技術(shù)之一，傳統(tǒng)的空間機(jī)器人或服務(wù)航天器對(duì)接是在軌捕獲合作目標(biāo)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(yàn)證，技術(shù)成熟度很高。但操作范圍有限，需要空間機(jī)器人或服務(wù)航天器充分抵近目標(biāo)，針對(duì)旋轉(zhuǎn)等不穩(wěn)定非合作目標(biāo)的操作時(shí)，具有極大的困難，并且安全性難以保證，目前國(guó)內(nèi)外尚未有成功先例?？臻g繩網(wǎng)、空間繩矛以及空間繩系機(jī)器人則為在軌捕獲非合作目標(biāo)提供了可行的技術(shù)手段。在目標(biāo)捕獲過程中，空間繩系機(jī)器人重點(diǎn)關(guān)注導(dǎo)航、釋放逼近、捕獲及捕獲后穩(wěn)定問題?？臻g繩網(wǎng)機(jī)器人則重點(diǎn)關(guān)注飛網(wǎng)展開以及目標(biāo)捕獲過程中的碰撞穩(wěn)定控制方面。

在空間繩系機(jī)器人視覺導(dǎo)航方面：Chen等[13]針對(duì)空間繩系機(jī)器人對(duì)非合作目標(biāo)的抓捕區(qū)域定位問題，提出了一種抓捕區(qū)域預(yù)測(cè)方法，該方法可以大大減小目標(biāo)搜索區(qū)域。空間繩系機(jī)器人超近距離逼近階段由于相機(jī)視場(chǎng)限制難以獲取特征點(diǎn)，進(jìn)而容易導(dǎo)致傳統(tǒng)的基于特征點(diǎn)的測(cè)量方法失效，文獻(xiàn)[14]針對(duì)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(yáng)帆板支架的邊緣線圖像信息，可以保證繩系機(jī)器人逼近至目標(biāo)衛(wèi)星的帆板支架處。

在空間繩系機(jī)器人釋放逼近方面：Huang等[16]針對(duì)空間繩系機(jī)器人的最優(yōu)逼近控制問題，建立了空間繩系機(jī)器人姿軌耦合動(dòng)力學(xué)方程，采用自適應(yīng)偽譜法以燃料消耗最少為指標(biāo)規(guī)劃了最優(yōu)軌跡，并且設(shè)計(jì)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(jī)器人上執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供速度增量的方式進(jìn)行軌跡規(guī)劃及最優(yōu)化，可廣泛應(yīng)用于航天器轉(zhuǎn)移軌道優(yōu)化、軌道機(jī)動(dòng)、交會(huì)對(duì)接等空間任務(wù)中。翟光等[18]研究了空間飛網(wǎng)機(jī)器人對(duì)目標(biāo)近距離最優(yōu)逼近問題，重點(diǎn)考慮安全性和燃料消耗最少指標(biāo)，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(yàn)證了其合理性。Hu等[19]針對(duì)空間繩系機(jī)器人近距離逼近任務(wù)設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)逆控制器，在控制器設(shè)計(jì)中采用了一種超扭滑模觀測(cè)器對(duì)未知干擾和模型不確定進(jìn)行估計(jì)，仿真結(jié)果表明在該控制方法下，空間繩系機(jī)器人達(dá)到了很好的對(duì)目標(biāo)跟蹤效果。Ma等[20，21]研究了空間繩系機(jī)器人的釋放問題，建立了空間繩系機(jī)器人離散動(dòng)力學(xué)模型，并采用滑模控制實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)的穩(wěn)定釋放。Zhang等[22]針對(duì)空間繩系機(jī)器人對(duì)非合作目標(biāo)逼近過程中視覺相機(jī)對(duì)距離信息測(cè)量偏差較大的問題，提出了一種僅需要測(cè)量視線角的逼近控制方案，通過離線運(yùn)動(dòng)規(guī)劃以及模型預(yù)測(cè)控制等實(shí)現(xiàn)了僅測(cè)量角度信息情況下對(duì)非合作目標(biāo)的可靠逼近。

捕獲及捕獲后穩(wěn)定方面：黃攀峰等[23]針對(duì)空間繩系機(jī)器人系統(tǒng)的模型不確定性問題，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)不確定性進(jìn)行估計(jì)補(bǔ)償，設(shè)計(jì)魯棒項(xiàng)對(duì)空間系繩干擾和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估計(jì)誤差的影響進(jìn)行抑制，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)目標(biāo)抓捕魯棒自適應(yīng)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(jìn)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(dòng)態(tài)面控制方法[25]。Wang等[26]設(shè)計(jì)了一種協(xié)調(diào)控制策略，將設(shè)計(jì)的控制律分配至繩系空間機(jī)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(jì)了一種自適應(yīng)反步控制方法來實(shí)現(xiàn)組合體的穩(wěn)定控制。

在空間繩網(wǎng)機(jī)器人展開以及碰撞穩(wěn)定控制方面：張帆等[28]針對(duì)一類帶有四個(gè)自主機(jī)動(dòng)單元的空間飛網(wǎng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)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(shí)刻自主單元的彈射條件對(duì)網(wǎng)型展開特性的影響；而后針對(duì)連接主系繩與外部擾動(dòng)的影響，提出了一種結(jié)合自適應(yīng)模糊逼近器的超扭滑?？刂品椒?，達(dá)到了減小控制器抖振的同時(shí)對(duì)飛網(wǎng)機(jī)器人展開過程精準(zhǔn)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(dòng)力學(xué)特性，并對(duì)抓捕碰撞進(jìn)行建模對(duì)圓柱形碎片進(jìn)行了捕獲模擬，并考慮了多種任務(wù)場(chǎng)景下飛網(wǎng)對(duì)目標(biāo)的捕獲。

繩網(wǎng)捕獲手段利用網(wǎng)子包裹并緊密纏繞目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)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(biāo)構(gòu)成組合體，難以分離。繩矛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單，可廣泛適用于空間碎片的捕獲。但最大的問題是會(huì)破壞目標(biāo)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(duì)目標(biāo)特定結(jié)構(gòu)進(jìn)行抓捕并鎖緊，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的捕獲。這種捕獲手段一般不會(huì)對(duì)目標(biāo)產(chǎn)生破壞，并且在任務(wù)結(jié)束后還能夠與目標(biāo)脫離，并回收，可重復(fù)利用。但缺點(diǎn)是系統(tǒng)復(fù)雜，控制難度較高，并且需要目標(biāo)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(biāo)離軌

目標(biāo)離軌是空間繩系系統(tǒng)主動(dòng)移除碎片的另一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，現(xiàn)有的目標(biāo)離軌方式主要有拖曳離軌和電動(dòng)力系繩離軌兩種。其中拖曳離軌是在完成對(duì)目標(biāo)捕獲后，系繩一端連接平臺(tái)另一端連接目標(biāo)，形成捕獲后的組合體，隨后平臺(tái)通過系繩拖動(dòng)目標(biāo)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(dòng)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(zhǎng)度，系繩切割地球磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電動(dòng)力，并逐步實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)離軌。在釋放和離軌過程中電動(dòng)力容易導(dǎo)致系繩振動(dòng)，甚至導(dǎo)致離軌系統(tǒng)失穩(wěn)，這是電動(dòng)力系繩離軌的難點(diǎn)之一。

Aslanov等[32-34]針對(duì)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(dòng)阻力和重力力矩作用下系統(tǒng)的初始條件和運(yùn)動(dòng)參數(shù)、推力、系繩長(zhǎng)度、空間碎片慣量等對(duì)繩系系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的影響，以及剩余燃料對(duì)太空拖船系統(tǒng)拖曳過程中的動(dòng)力學(xué)特性的影響。Zhong等[35]針對(duì)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?zāi)管壍赖淖顑?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(dòng)力學(xué)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(dāng)系繩為短系繩時(shí)存在兩個(gè)水平平衡解，當(dāng)系繩變長(zhǎng)時(shí)，其穩(wěn)定性會(huì)變差。當(dāng)系繩長(zhǎng)度大于一定值時(shí)，其可行解和不可行解有三個(gè)，其中兩個(gè)為穩(wěn)定的傾斜解和一個(gè)不穩(wěn)定的水平解。Meng等[38]針對(duì)系繩拖曳旋轉(zhuǎn)目標(biāo)時(shí)出現(xiàn)的系繩擺動(dòng)問題，設(shè)計(jì)了一種基于阻抗控制的擺動(dòng)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(duì)偏心捕獲空間碎片的姿態(tài)控制問題，通過移動(dòng)系繩連接點(diǎn)可以僅利用系繩實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制。

黃靜等[40]針對(duì)近地軌道電動(dòng)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(dòng)力繩系衛(wèi)星系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型?？紤]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(dòng)態(tài)尺度廣義逆實(shí)現(xiàn)了系繩的穩(wěn)定釋放。Williams[41]針對(duì)電動(dòng)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(dòng)系繩連接點(diǎn)來抑制橫向不穩(wěn)定性。此外他還提出一種振動(dòng)能量反饋控制率實(shí)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(jī)器人、空間繩系機(jī)器人和空間繩矛捕獲目標(biāo)后離軌的通用技術(shù)，離軌方式適用于低、中高軌目標(biāo)，缺點(diǎn)是需要消耗空間平臺(tái)的燃料。電動(dòng)力系繩離軌方式成本低且不需要消耗燃料，但對(duì)空間碎片進(jìn)行捕獲并安裝電動(dòng)力系繩離軌系統(tǒng)必不可少，另外系統(tǒng)需要運(yùn)行在電離層中，適用于低軌目標(biāo)。

3 結(jié)論

為保障空間活動(dòng)的可持續(xù)性和安全性，空間碎片主動(dòng)移除勢(shì)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(wù)，并能夠根據(jù)不同任務(wù)場(chǎng)景和要求找到合適的解決方案，對(duì)于空間碎片主動(dòng)移除具有廣闊應(yīng)用前景。盡管已經(jīng)開展了豐富的理論研究和地面試驗(yàn)，但空間試驗(yàn)較少，技術(shù)成熟度較低，需要充分的空間試驗(yàn)來驗(yàn)證各項(xiàng)技術(shù)。另外空間碎片主動(dòng)移除具有巨大的商業(yè)市場(chǎng)需求，可以鼓勵(lì)資本參與，引導(dǎo)和鼓勵(lì)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，搶占空間碎片主動(dòng)移除技術(shù)制高點(diǎn)，積極開拓國(guó)內(nèi)和國(guó)際市場(chǎng)。