空間非合作目標消旋技術研究現(xiàn)狀總結與展望*

馬廣富,郭延寧,邱 爽,邢景儀

(哈爾濱工業(yè)大學 控制科學與工程系·哈爾濱·150001)

0 引 言

航天活動的飛速發(fā)展極大地改變了人類的生活,實際上,許多空間任務涉及非合作目標的抓捕。例如,對未成功進入預定軌道的衛(wèi)星進行輔助入軌;對發(fā)生故障的衛(wèi)星進行維修、更換故障單元儀器、輔助機構展開;對燃料耗盡但其他系統(tǒng)正常工作的衛(wèi)星加注燃料,延長壽命;將廢棄衛(wèi)星和空間碎片送入墳墓軌道,實現(xiàn)空間軌道資源的合理利用;一些軍事任務等。因此,安全、可靠地實施對空間非合作目標的在軌捕獲是空間任務中最關鍵的技術之一[1]。

空間翻滾非合作目標的特點是未安裝有用于服務航天器捕獲的抓捕裝置,而且無法與外界進行通信,同時在空間中處于自由翻滾的狀態(tài),無法對自身的姿態(tài)進行控制和調(diào)節(jié)。對于空間非合作目標的在軌捕獲,關鍵技術主要包括:1)空間非合作目標的測量技術,主要包括兩方面,一是通過測量得到服務航天器和非合作目標之間的相對位姿關系,另一方面是得到目標的外觀結構、尺寸規(guī)格、判斷非合作目標的自旋角速度等是否滿足抓捕條件;2)對空間非合作目標的接近?？考夹g,主要涉及的關鍵技術是服務航天器的導航、制導和控制系統(tǒng)的性能;3)對空間非合作目標在軌捕獲的抓捕機構;4)捕獲的過程接觸碰撞動力學建模技術;5)捕獲后組合體的穩(wěn)定控制[2]。

針對上述空間非合作目標在軌捕獲的關鍵技術,由于無法與非合作目標進行通信獲取姿態(tài)信息,且非合作目標無法提供用于輔助測量的信息標識物,這給捕獲前的非合作目標運動及位姿測量帶來了極大的挑戰(zhàn);同時在捕獲后階段,系統(tǒng)質心位置會發(fā)生偏移、慣性參數(shù)也會發(fā)生改變,可能會引起組合體姿態(tài)失穩(wěn)。因此若能在捕獲前完成對空間非合作目標的消旋,將大大提高捕獲效率與成功率。

本文將對目前已有的空間非合作目標消旋方案進行分析與總結,從目標旋轉動能的變化過程出發(fā),將相關消旋方案分為基于能量轉移與基于能量損耗兩類,并對幾種典型方案進行了詳細討論與分析,總結各個方案涉及的關鍵技術,分析各個方案能夠提供的消旋力矩,以及各個方案適合的空間非合作目標的類型及運動狀態(tài),為以后的空間非合作目標消旋控制方案提供一定的參考。

1 空間非合作目標消旋技術研究現(xiàn)狀及分析

空間翻滾非合作目標抓捕前的消旋控制是近年來航天領域研究的熱門問題,已有的消旋方法總的來說可以分為兩類,一類是基于能量轉移的消旋技術,即將目標與抓捕衛(wèi)星看成一個能量守恒的總體,將目標的角動量轉移到抓捕衛(wèi)星上達到消旋的目的,系統(tǒng)總能量不變;另一類是基于能量損耗的消旋技術,抓捕衛(wèi)星對目標施加一定的力或力矩以耗損目標的動能和角動量,從而抑制目標的自旋運動。

1.1 基于能量轉移的消旋方案

(1)yo-yo消旋裝置

yo-yo消旋裝置是1961年由加州理工大學JPL(Jet Propulsion Laboratory,噴氣推進實驗室)提出的[3],可以對空間飛行器減旋,已經(jīng)被使用到NASA(National Aeronautics and Space Administration,美國國家航空航天局)的探空火箭SIERRA和黎明號中[4]。yo-yo系統(tǒng)由末端系有一定質量重物的2根繩索對稱地圍繞在載荷的外側,重物被釋放后,由于離心力的作用,繩索慢慢展開,逐漸遠離載荷的轉軸,使得載荷的角動量轉移到了重物上,衰減載荷的自旋角速度,最后繩索斷開,重物從載荷上脫落。yo-yo消旋裝置的主要參數(shù)是繩索長度和重物質量,由角動量守恒原理可知,繩索長度越長,所需重物質量就越輕。但是繩索長度過長時,就會增加重物展開過程的時間,因此需要對系統(tǒng)參數(shù)進行合理的設計。

康奈爾大學的Mark L.Psiaki等[5]考慮了避免消旋過程中yo-yo系統(tǒng)繩索的纏繞問題,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)相對于目標是可以自由旋轉的。初始時目標與阻尼環(huán)具有相同的角速度,均為逆時針方向,當釋放yoyo裝置時,繩的拉力會使得阻尼環(huán)的角速度方向變?yōu)轫槙r針方向,與目標本體存在相對運動,使得目標自旋的能量減小,不僅實現(xiàn)了目標的消旋控制,也可以保證yo-yo裝置不會發(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釋放重物以減小目標自旋角動量,這種方法同樣會產(chǎn)生空間碎片。為了解決這一問題,Vadim Yudintsev等[6]提出了一種改進的yo-yo消旋裝置 (見圖2)。主要思想是利用裝有低冰點液態(tài)物質的球體替代原有的yoyo裝置末端的重物,當yo-yo裝置的繩索全部展開時,將球體中的液體釋放到空間中,達到轉移非合作目標角動量的目的。

圖2 改進的yo-yo末端重物示意圖[6]

日本東京工業(yè)大學的Saburo M等[7]設計了yo-yo消旋的具體操作過程:用兩端系有重物的緊繃繩子碰撞接觸非合作目標,碰撞時的摩擦力可以將空間非合作目標的角動量轉移成為yo-yo裝置的線動量,完成對目標的消旋。

NASA提出的WRANGLER(Weightless Rendezvous And Net Grapple to Limit Excess Rotation,失重交會對接與繩網(wǎng)抓捕消旋技術)[8],主要思想與yo-yo消旋相同,都是利用角動量守恒定理,通過增大系統(tǒng)的轉動慣量減小其自旋的角速度。其優(yōu)點是可以利用一個質量很小的服務航天器對一個質量是其幾千倍的非合作目標進行消旋。其主要消旋過程為:在納米衛(wèi)星上安裝一根剛度極強的繩,繩上連接一個質量很小的網(wǎng)狀抓捕機構。在發(fā)現(xiàn)非合作目標時,利用控制裝置將網(wǎng)張開抓捕非合作目標,同時連接抓捕網(wǎng)與衛(wèi)星間的剛性繩將處于拉緊狀態(tài),這時將有拉力施加到自旋的非合作目標上來減小目標的自旋運動,此拉緊狀態(tài)將持續(xù)到目標的自旋角速度減小到一定的范圍內(nèi)。在此過程中也沒有能量的損耗,只是將非合作目標的自旋角動量轉移到抓捕衛(wèi)星上。抓捕示意圖及消旋示意圖如圖3所示。

圖3 WRANGLER對目標消旋[8]

(2)反作用飛輪消旋[9]

為了確保捕獲機械臂、服務航天器以及組合體在捕獲過程中的穩(wěn)定性,日本東北大學的Kazuya Yoshida等提出了一種抓捕過程中或抓捕后對非合作目標消旋的方案。在抓捕衛(wèi)星基座上安裝反作用飛輪,將目標的角動量轉換為反作用飛輪的動量,從而實現(xiàn)對目標的消旋。由于無外力作用在系統(tǒng)上,所以此方法的本質是將目標自旋的角動量轉移到服務航天器的反作用飛輪上,沒有能量的消耗。

(3)桿件消旋

為了簡化消旋裝置的結構,提高消旋方案的可操作性,西北工業(yè)大學的袁建平等[10]設計了一種利用桿件折疊變形實現(xiàn)非合作目標消旋的方案。桿件的一端與空間服務航天器固連,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行折疊;另一端用于接觸空間非合作目標,非合作目標姿態(tài)的變化帶動桿件主體通過槽口進行多次折疊,在桿件主體形變能的反作用下實現(xiàn)消旋。這種方法將旋轉非合作目標的旋轉動能傳遞到桿件上,通過桿件折疊吸收能量,減小空間非合作目標的轉速。

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,在抓捕目標之前,利用此刷子結構的執(zhí)行器輕觸目標表面,在不影響目標穩(wěn)定性的情況下使其自旋角速度逐漸減小,從而達到消旋的目的。刷子消旋裝置結構圖如圖4所示。由于減速刷與目標是面接觸作用,只能提供單自由度的控制力,適用于目標單軸自旋情況。

圖4 刷子消旋裝置結構圖[11]

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

(2)機械脈沖消旋

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

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

圖5 機械脈沖對空間非合作目標消旋示意圖

為避免機械臂與目標之間的剛性碰撞,不影響非合作目標自旋的穩(wěn)定,Matunaga等[14]設計了軟墊式阻尼器消旋方法。在機械臂的末端安裝一個利用內(nèi)部均勻壓強展開的柔軟材質的球狀緩沖器,使得機械臂抓捕目標時,緩沖器與目標之間會產(chǎn)生阻力,包括機械臂末端執(zhí)行器與目標之間由于相對滑動產(chǎn)生的摩擦力,以及與目標自旋方向相反的推力,能夠減小目標自旋的角動量。消旋力矩的大小主要取決于碰撞時刻球型執(zhí)行器的形變程度。

另一種機械脈沖消旋方法是利用發(fā)動機羽流減小目標自旋角速度,如圖6所示。JASA的研究人員Yu Nakajima等[15]利用推進器燃燒產(chǎn)生的羽流對非合作目標施加控制力矩,避免了服務航天器與目標之間的接觸,降低了兩者之間的碰撞危險。該方法結構簡單,只需多攜帶一些燃料即可。缺點是羽流會造成空間環(huán)境的二次污染,影響衛(wèi)星的性能。

圖6 發(fā)動機羽流消旋示意圖[15]

磁流變阻尼器消旋[16]方法是利用在關節(jié)處安裝有磁流變阻尼器的空間機械臂來抓捕空間自旋目標并保持其穩(wěn)定的方法。磁流變阻尼器由一種智能材料構成,這種材料通常情況下是液體,但是當磁場出現(xiàn)時,又會固化成糊狀;當磁力消失時,又會重新液化。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械臂和目標動力學信息的條件下有效地減小自旋目標的角動量,并且讓它和基座呈相對靜止關系。

由于機械臂與目標之間的接觸為剛性碰撞,存在一定的危險性,可能會產(chǎn)生更多的空間碎片,所以機械臂一般用在空間非合作目標消旋后的捕獲階段。文獻 [17-19]研究了利用空間機械臂對非合作目標的消旋控制,這種方法的優(yōu)點是可以提供很大的控制力矩,消旋效果明顯,而且實現(xiàn)了利用一個裝置就可以同時完成消旋、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)大學陳詩瑜等提出的,主要消旋過程為:雙繩衛(wèi)星首先接近旋轉的空間非合作目標,用繩子彈射回收裝置自目標的兩邊彈射可吸附繩,由繩頭吸盤、輔助吸盤吸附在目標上后,由于其旋轉運動使得吸附繩繞在目標上;啟動繩子彈射回收系統(tǒng)向回拉扯吸附繩,通過力傳感器測定數(shù)值,臨近所設定的承力閾值時放松,如此往復直至目標轉速下降至一定范圍內(nèi),最后由衛(wèi)星主體上的機械臂將其捕獲。

(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動的一群電子?；趲靵隽Φ脑?可以通過對非合作目標發(fā)射電子束實現(xiàn)消旋控制。

服務航天器通過向目標噴射電子使目標帶負電荷,同時可以向空間噴射正離子或電子實現(xiàn)對自身帶電荷的正負和電荷量的控制,從而控制自身電場。帶有負電荷的非合作目標由于本身的旋轉,電荷在其表面呈現(xiàn)出不均勻分布,當其在服務航天器形成的電場中旋轉時,由于庫侖力的合力矩作用產(chǎn)生阻尼力矩,從而實現(xiàn)目標的消旋。文獻 [21,23]提出了一種基于庫侖力的消旋技術,并分析了庫侖力的大小主要取決于服務航天器與目標之間的距離、兩者的相對幾何結構以及相對位置關系。

為了驗證發(fā)射電子束產(chǎn)生庫侖力對目標進行消旋方法的有效性,Bombardelli C等[22]分析了對目標發(fā)射電子束時產(chǎn)生的動量與庫侖力阻礙目標運動的動量之間的關系,通過仿真分析得到了前者幅值的數(shù)量級要低于后者的結論,說明該方法是有效的。

上述的研究方案都沒有考慮電子電荷在服務航天器與非合作目標之間的轉移問題。當非合作目標的結構不對稱時,靜電力的強度將隨著服務航天器姿態(tài)的變化而發(fā)生顯著地變化,這是由于目標的不對稱性使得電荷發(fā)生了再分布。而且電子束消旋方法的基本要求是服務航天器與目標之間的相對位置距離很短,在這種情況下由目標發(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)都會影響靜電力的強度。為了提高靜電力消旋的效率,文獻 [24-26]在考慮了上述問題的情況下,根據(jù)目標的自旋角速度和幾何結構,設計了服務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體,當其與磁場產(chǎn)生相對運動時,根據(jù)法拉第電磁感應定律,在其表面會有渦流產(chǎn)生,如圖7所示。又結合楞次定律與安培定理,通電導體在地磁場中運動會有安培力產(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,從而達到消旋的目的。電磁消旋的優(yōu)點是:服務航天器與目標之間非直接接觸,不會有碰撞的危險;只要是磁場靜止目標自旋的情況,那么渦流力矩的作用一定是消旋,絕對不會造成起旋。此方法的缺點是消旋力矩小,消旋時間長。

圖7 渦流力矩消旋示意圖[34]

NASA、國防科技大學、南京紫金山天文臺等單位[27-31]分析了空間中地磁場對衛(wèi)星姿態(tài)的影響。由于地磁場的磁感應強度很小,所以產(chǎn)生的消旋力矩很小,消旋作用不明顯,消旋時間長。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作用下的渦流效應,說明了磁場會阻尼空間碎片的運動。但這種消旋方式不能控制磁場方位,無法對平行于地磁場方向的旋轉運動進行消旋。

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)生感應磁場,并基于畢奧薩伐爾定律計算電流元可以激發(fā)的磁場強度。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,應該使用超導材料制作交流線圈。另一種方式是利用永磁體建立磁場,不需要外部輸入額外的能量。為提高磁場強度的幅值,應該使用剩磁、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)生磁場的方案為后續(xù)研究渦流消旋力矩奠定了一定基礎。

針對空間非合作目標單軸自旋及存在章動角作翻滾運動的情況,Reinhardt[34]和Sugai F[35]分別設計了基于渦流力矩的消旋控制方案。2個方案之間的聯(lián)系為可以先消除目標自旋的章動角,將非合作目標從翻滾運動變?yōu)閱屋S自旋,然后再將外部磁場的方向調(diào)整為與自旋軸垂直的方向,消除目標自旋角速度。在完成了數(shù)值仿真驗證的基礎上,建立了實物系統(tǒng),如圖8所示,通過實驗驗證了此方案的可行性和有效性。西北工業(yè)大學的駱光照等[36]針對目標自由翻滾的情況,將3組相互垂直的線圈分別置放在垂直于目標3個本體坐標軸的方向上,通過設置線圈電流的大小實現(xiàn)對目標三軸轉動的控制。

圖8 渦流消旋地面試驗裝置[35]

南安普頓大學的Natalia等[37-41]設計了磁梯度張量計算渦流消旋力矩,磁梯度張量的大小只與非合作目標的幾何形狀與電導率有關。當目標確定時,磁梯度張量的數(shù)值是不變的。通過地磁場對Envisat衛(wèi)星自旋角速度的影響證明了該理論的準確性。基于磁梯度張量理論,提出了利用渦流力矩消旋的方案,并且設計了導航制導與控制系統(tǒng),通過控制服務航天器與非合作目標之間的相對位置和相對姿態(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動速度有關,當碎片旋轉的速度變慢時,渦流力矩也會變小。在整個消旋控制過程中,碎片的自旋角速度會越來越小,因此力矩也會越來越小,使得消旋的時間變長。駱光照等[42-43]為了解決這個問題,提出了兩種方案,一種方案是在恒定磁場的基礎上疊加一個交變的磁場,方向與恒定磁場方向垂直,以增大渦流力矩;另一種方法是使恒定磁場以與空間碎片角速度相反的方向運動,增加兩者間的相對速度,提高消旋效率。

以上為基于能量轉移原理與能量損耗原理的空間非合作目標消旋控制方案的總結與關鍵技術分析。通過上述內(nèi)容可以了解到,基于能量轉移的消旋總體來說可以提供的消旋力矩的數(shù)量級和自由度比較小,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;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的消旋控制,但是其實施的危險性較高,容易造成服務航天器失穩(wěn)。因此要針對不同的目標,選擇最優(yōu)的消旋方案,在保證安全性和穩(wěn)定性的情況下達到最好的消旋效果?？臻g非合作目標消旋方案的總結見表1。

表1 空間非合作目標消旋方案總結

2 結論與展望

針對不同幾何結構、不同運動狀態(tài)的空間非合作目標,為了設計最優(yōu)的消旋控制方案確?？臻g非合作目標在軌捕獲任務順利、安全、成功的實施,本文對已有的消旋方案進行了總結歸類與分析,劃分為基于能量轉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,所以期望消旋過程能夠快速有效地進行。從目前的各種方案來看,基于能量損耗的消旋方案能夠提供較大數(shù)量級的消旋力矩,但需要較高的控制精度保證服務航天器的穩(wěn)定性;而基于能量轉移的消旋方案控制策略簡單,但消旋效率不高。

在將來的空間非合作目標在軌捕獲任務中,由于空間環(huán)境的進一步惡化,任務難度將會大大提升,因此就對空間非合作目標消旋控制提出了更高的要求。首先需要對非合作目標的姿態(tài)信息進行快速、精確地在軌辨識,針對無法獲取非合作目標測量信息的情況,可以采取電磁消旋的方式;針對一次發(fā)射需要清除多個空間非合作目標的情況,可以使用繩網(wǎng)消旋的方式。同時若消旋裝置兼具捕獲、輔助離軌功能 (如機械臂)的話,也將大大提高空間非合作目標在軌捕獲的效率。