日本KITE試驗任務(wù)綜述與啟示

張烽，王小錠，吳勝寶，焉寧，李揚

(中國運載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心，北京100076)

1 概述

2016年12月，日本成功發(fā)射的HTV貨運飛船 (也稱鸛號貨運飛船)6號機抵達國際空間站，此次任務(wù)攜帶電動力繩系裝置，在完成主任務(wù)后，將在太空釋放系繩以對該電動力繩系技術(shù)進行在軌測試，此次在軌演示任務(wù)被稱為 “鸛號集成系繩試驗” (Konotori Integrated Tether Experiment，KITE)。但根據(jù)官方報道，該計劃后因繩系釋放裝置出現(xiàn)故障而中止。盡管并未達到試驗?zāi)康?，但該任?wù)的系統(tǒng)方案與技術(shù)路線具有較強的借鑒意義。因此，本文較為詳細地介紹了KITE任務(wù)的總體方案[1]、系統(tǒng)組成[2]及任務(wù)關(guān)鍵技術(shù)仿真與地面試驗驗證情況[3-4]，最后總結(jié)了該任務(wù)在電動力繩系離軌技術(shù)發(fā)展領(lǐng)域的啟示，并對我國開展電動力繩系離軌技術(shù)發(fā)展思路提出了建議。

2 總體方案

2.1 演示方案

日本此次KITE任務(wù)的主要目的是驗證應(yīng)用于空間碎片清除的電動力繩系關(guān)鍵技術(shù)，主要包括以下試驗內(nèi)容:

(1)釋放約700m長的裸系繩；

(2)繩系和末端運動狀態(tài)監(jiān)測；

(3)電動力產(chǎn)生試驗；

(4)裸系繩電荷收集試驗；

(5)電子發(fā)射器陰極電荷發(fā)射試驗；

(6)力的測量試驗。

表1 KITE任務(wù)技術(shù)指標(biāo)Tab.1 The specifications of the KITE mission

圖1 KITE任務(wù)原理示意圖Fig.1 The schematic of the KITE mission

整個試驗任務(wù)流程如下:

HTV貨運飛船完成向國際空間站的任務(wù)并分離后，降低到國際空間站軌道20km以下。繩系末端由安裝在HTV上的彈射裝置彈射出來，繩系末端中安裝約700m長度繩系的卷軸，繩系另一端連接HTV。繩系從卷軸緩慢釋放展開，展開過程的摩擦力有效降低末端的釋放速度，但經(jīng)過足夠長的時間后，重力梯度力還是使繩系的展開速度加快，制動卷軸安裝在繩系末端，以此來降低繩系展開速度，這樣避免繩系釋放完畢時繩張力過大對繩系造成破壞。

由于科氏力以及電動力和大氣阻力產(chǎn)生的扭矩影響，繩系會產(chǎn)生明顯的振動。這種摩擦力和繩系振動狀態(tài)在地面試驗無法驗證，需要在軌進行驗證測試。繩系釋放展開的動力學(xué)特性通過HTV上的交會雷達來測量，該雷達也用于與國際空間站的交會對接，在繩系末端只要安裝發(fā)射器即可完成測量，而不需要任何電子設(shè)備。HTV上同時安裝了視覺相機來監(jiān)測繩系釋放展開的過程。此次任務(wù)中，采用電子發(fā)射陣列陰極來發(fā)射繩系收集的電子，通過等離子電壓監(jiān)測器來測量繩系電壓，通過地磁傳感器來測量地磁場。這些部件的供電和通信都是利用HTV上的設(shè)備完成。當(dāng)繩系釋放完成后，開始測量繩系電壓、電流和電子場陣列發(fā)射控制的關(guān)系。此次任務(wù)計劃持續(xù)7天，任務(wù)完成后，繩系將被切斷，HTV按計劃進行再入過程。

考慮電動力的方向以及電子發(fā)射器安裝在HTV的位置，繩系選擇朝天頂方向釋放。繩系700m長度設(shè)計是滿足電動力指標(biāo)需求以及受激光傳感器指標(biāo)限制，激光傳感器用來測量HTV和末端的距離。

表2 KITE任務(wù)日程安排Tab.2 The time schedule of the KITE mission

續(xù)表2

2.2 日本電動力繩系碎片清除發(fā)展規(guī)劃

日本利用電動力繩進行空間碎片清除的技術(shù)路線如圖2所示。路線圖分三步走:第一步，關(guān)鍵技術(shù)驗證；第二步，系統(tǒng)級驗證；第三步，空間碎片清除應(yīng)用。系統(tǒng)級驗證任務(wù)剖面如圖3所示。最終目標(biāo)是通過保護空間環(huán)境的國際合作，發(fā)展一種經(jīng)濟有效的空間碎片清除系統(tǒng)。

圖2 基于電動力繩的空間碎片清除的技術(shù)路線圖Fig.2 Roadmap for EDT based space debris removal

若電動力繩系被驗證能夠用于碎片離軌，和傳統(tǒng)的動力系統(tǒng)相比，電動力繩系離軌過程挑戰(zhàn)性要小。而且采用電動力繩不需要太多燃料，這樣可將小衛(wèi)星應(yīng)用于碎片清除系統(tǒng)。所以，日本規(guī)劃實現(xiàn)碎片清除系統(tǒng)的路線圖第一步是發(fā)展電動力繩系技術(shù)，路線圖的下一步則是發(fā)展用小衛(wèi)星來清除大質(zhì)量碎片的技術(shù)。如果第一步 (電動力繩系技術(shù))得到驗證，后續(xù)將進行碎片清除系統(tǒng)的系統(tǒng)級驗證。日本同時在開展的還有非合作目標(biāo)的交會對接和近距離操作技術(shù)，如運動狀態(tài)估計、繩系末端和目標(biāo)的連接操作等。

圖3 電動力繩系碎片清除技術(shù)系統(tǒng)級驗證任務(wù)剖面圖Fig.3 Demonstration mission profile of EDT based space debris removal technology

在系統(tǒng)級驗證方面，日本規(guī)劃的方案是在運載火箭發(fā)射小衛(wèi)星后，由小衛(wèi)星將火箭末級作為清除的對象。這個小衛(wèi)星在和火箭分離后，與火箭交會并接近，然后將繩系一端和火箭連接，小衛(wèi)星自身作為繩系末端，將火箭末級拖曳離軌。這種小衛(wèi)星將是未來碎片清除實踐應(yīng)用最終目標(biāo)的一種方式，會大大降低碎片清除成本。

3 系統(tǒng)組成

KITE的裝置和工具安裝在HTV上面的各個部位，具體如圖4所示。KITE的主要部分包括用于加速和減速制動的繩系和卷軸、末端、釋放繩系機械裝置、記錄繩系動力學(xué)特征的傳感器和相機、電子發(fā)射器、電勢感應(yīng)器、磁傳感器和數(shù)據(jù)處理控制單元。

3.1 繩系釋放機械臂裝置

繩系釋放機械裝置由末端外部的發(fā)射彈簧和一個非爆炸彈射裝置組成。釋放過程由3個單獨的控制指令發(fā)出，配置3個單獨發(fā)出的控制指令是為了保證HTV飛行器的安全。釋放裝置彈射末端的初速度在1m/s左右。

3.2 繩系和卷軸

圖4 KITE任務(wù)系統(tǒng)組成圖Fig.4 The system components of the KITE mission

KITE繩系采用裸系繩，主要任務(wù)是從周圍等離子區(qū)吸收電子，繩系上電子流動產(chǎn)生電動勢，切割磁感線產(chǎn)生洛倫茲力。繩系總長度大約700m，且采用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，由3條線組成，每條線由鋁和不銹鋼組成。裸系繩收集空間等離子電荷，采用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)來應(yīng)對小碎片的影響。其實物結(jié)構(gòu)及微觀結(jié)構(gòu)參見圖5。

圖5 網(wǎng)狀繩系和卷軸Fig.5 The net tether and the reel

存儲和釋放系統(tǒng)由末端、末端存儲裝置和彈射裝置組成。當(dāng)壓縮的彈簧被釋放后，末端便離開HTV飛行器，繩子從末端的卷軸中逐漸伸出。在繩系展開的最后階段，末端通過制動卷軸開始減速，保證展開的最后階段不會出現(xiàn)過多的振蕩或者回彈現(xiàn)象。

制動卷軸放置在末端中，繩系的最后10m卷繞在制動裝置的卷軸上。這種被動制動系統(tǒng)無法調(diào)節(jié)制動力，優(yōu)點是簡單易行。制動力只能通過不同力的內(nèi)部彈簧來改變，且大小必須通過地面測試來估計。

3.3 傳感器和相機

末端質(zhì)量塊的運動通過HTV的交會傳感器來監(jiān)測，該交會傳感器主要用于HTV與國際空間站的交會對接過程。為便于實施監(jiān)測，需要在末端質(zhì)量塊安裝激光反射器來配合。

兩個相機，包括EECMR和TSCMR，安裝在HTV上，EECMR監(jiān)視彈射時末端的運動，TSCMR通過繩系上三個標(biāo)記點運動來監(jiān)視繩系擺動。

圖6 相機監(jiān)視過程Fig.6 The figures inspected by cameras

3.4 電子場發(fā)射陣列

電子陣列發(fā)射陰極向空間等離子層發(fā)射電子，形成繩系電流，碳納米管材料用作電子發(fā)射器。電子場發(fā)射陣列模塊安裝在HTV的推進器模塊上，有助于電子發(fā)射與繩系的隔離。電子場發(fā)射陣列模塊由發(fā)射器 (FECH)、控制器 (FECC)和指令器 (FECG)組成。發(fā)射器用于向周圍環(huán)境發(fā)射電子，控制器向發(fā)射器提供高電壓，指令器負責(zé)向發(fā)射器提供指令。指令器在第三天設(shè)備準(zhǔn)備好電子發(fā)射的時候打開。發(fā)射器表面是一個平行的發(fā)射極，發(fā)射時對準(zhǔn)軌道方向，防止發(fā)射電子反彈回來造成機殼氧化。

圖7 電子場發(fā)射陣列模塊Fig.7 The sketch of the FEC module

3.5 其它

繩系切斷裝置 (TCM)和存儲釋放裝置的繩系一端連接，在任務(wù)結(jié)束后切斷繩系，以有利于安全再入。LP-POM測量電壓和電動力、發(fā)射電流關(guān)系，該設(shè)計基于ATOTIE-mini，經(jīng)過了在軌HTV-4驗證。磁傳感器測量磁場數(shù)據(jù)來計算電磁力和洛侖茲力。數(shù)據(jù)處理單元和電源管理單元是KITE的主計算機，負責(zé)KITE的部件 (除了TCM和LP-POM)和HTV的接口。

4 關(guān)鍵技術(shù)仿真與驗證情況

電動力繩在軌釋放的動力學(xué)特性需要在地面試驗及數(shù)字仿真中進行驗證。在地面試驗測試關(guān)鍵參數(shù)，包括展開摩擦力和制動力，通過數(shù)字仿真分析展開動力學(xué)過程。另外，針對任務(wù)過程也進行參數(shù)推導(dǎo)來驗證。

4.1 動力學(xué)與控制仿真

4.1.1 動力學(xué)模型

系統(tǒng)建模過程中，將繩系視為由粘彈性部段連接的 “珠點”模型，每一個珠點的運動模型如下:

式中，，r，μ為系統(tǒng)軌道角速度、軌道半徑及地球重力常數(shù)；mi為珠點質(zhì)量；Q為作用于珠點的廣義力。在Gauss形式的軌道攝動方程中，考慮了洛倫茲力、空氣阻力及地球位勢引起的軌道攝動。繩系的釋放通過增加新的珠點來建模模擬。系繩的拉伸模量、阻尼比、釋放摩擦力及光熱特性等參數(shù)通過繩系地面試驗進行了測量。

在仿真中，地磁場采用了IGRF2000模型，離子密度采用了IRI2001模型，大氣密度采用了NRLMSISE-00模型，地球位勢采用了EGM96模型。對于裸系繩的電子收集模型，采用了二維軌道限制理論。仿真同時計算了繩系的溫度，因為繩系的自然長度及導(dǎo)熱率隨著溫度的變化而變化。

4.1.2 繩系釋放過程仿真

圖8(a)給出了釋放過程中的繩系動態(tài)變化。圖8(b)給出了釋放過程中及釋放后軌道面內(nèi)天平動擺角變化。末端質(zhì)量塊以1m/s彈射速度沿天頂方向釋放，釋放方向偏離軌道角速度方向20°，并偏離軌道面11.25°。由于存在Coriolis力，軌道面內(nèi)天平動角度變動幅度較大。

4.1.3 HTV的俯仰角控制

圖8 繩系釋放過程仿真結(jié)果Fig.8 The simulation results of the tether deployment process

圖9 HTV的俯仰角控制仿真結(jié)果Fig.9 The simulation results of controlling HTV pitch angle

HTV的交會雷達視場為地平 (azimuth)和高程 (elevation)方向±20°，因此，當(dāng)繩系天平動幅度超過20°時，末端質(zhì)量塊將會超出交會雷達的視場。為了能夠持續(xù)測量到末端質(zhì)量塊的位置，需要控制HTV的俯仰角以保證末端質(zhì)量塊在交會雷達的視場中。圖9(a)給出了為滿足交會雷達視場約束，HTV俯仰角變化30°及角速率滿足0.5°/s時，HTV的俯仰角及角速率變化結(jié)果。圖9(b)對比了HTV采取俯仰機動及沒有俯仰機動情況下的繩系軌道面內(nèi)天平動角度變化結(jié)果。繩系足夠長，并且通過末端質(zhì)量塊的卷軸機構(gòu)釋放。因此，繩系另一端連接HTV，并不會影響釋放過程的動特性。

4.1.4 基于HTV推力的天平動抑制

在測量到繩系天平動運行一段時間后，利用HTV的推力器對其進行抑制。如果采取合適推力序列 (當(dāng)末端質(zhì)量塊相對于HTV的運動與軌道角速度方向相反，推力應(yīng)該為相同方向)，天平動角度能夠減少，如圖10所示。在圖11(a)中，采用雙推力 (dV=0.2m/s)用于減少繩系天平動角度。通過降低和抬高軌道高度，系統(tǒng)的軌道高度能夠維持在常值 (如圖11(b)所示)。

圖10 用于天平動抑制的推力施加序列Fig.10 The force sequence to reject the libration

4.1.5 繩系切斷

圖11 采用天平動抑制的仿真結(jié)果Fig.11 The simulation results of the libration attenuation

圖12 兩種情況下繩系被切斷時的繩系運動Fig.12 The tether motion after tether cutting in two cases

繩系發(fā)生旋轉(zhuǎn)會對HTV的安全再入形成潛在的障礙，因此在KITE任務(wù)完成后，HTV再入前應(yīng)將系繩切斷。當(dāng)繩系切斷后，末端質(zhì)量塊和繩系將進入較高的軌道。當(dāng)繩系在穩(wěn)定且垂直的條件下被切斷，拖著繩系的末端質(zhì)量塊將進入遠地點比原來高5km的軌道，如圖12(a)所示。而當(dāng)繩系在天平動的情況下被切斷時，末端質(zhì)量塊的軌道遠地點將會是兩倍，如圖12(b)所示。這也是KITE任務(wù)在ISS軌道下方20km處進行的原因，為了防止繩系切斷時會出現(xiàn)意外。

4.2 地面試驗驗證情況

4.2.1 釋放阻尼地面試驗測試

(1)繩系自由落體測試。

繩系自由落體測試用于確定在釋放終止和重啟時刻的繩系行為。試驗配置如圖13所示。繩系卷軸懸掛于裝置內(nèi)部，且接口向下，同時與高靈敏度力傳感器連接。系繩通過離地1.5m處以自由落體方式釋放。

圖13 繩系自由落體試驗配置Fig.13 The free-falling experiment device

如圖14所示，根據(jù)仿真結(jié)果，1.5m長的繩系拉出后，釋放速度約為4-5m/s，預(yù)計比KITE任務(wù)在軌得到的速度大。

圖14 自由落體形式下的繩系釋放速度 (5組工況)Fig.14 The tether deployment velocity in the free-falling case

研究發(fā)現(xiàn)，如果繩系發(fā)生卡頓，繩系釋放會終止。通過對繩系施加足夠的張力，可以重新開始釋放。所施加的張力需要大于釋放摩擦力。在地面試驗中，所測得用于重新釋放繩系的最大張力為0.24N，如圖15所示。

圖15 繩系張力監(jiān)測結(jié)果Fig.15 The measured tether tension variations

圖16 地面試驗配置圖Fig.16 The ground test configuration

(2)測量釋放摩擦的繩系釋放試驗。

試驗配置如圖16(a)和圖16(b)所示。纏繞裝置用于實現(xiàn)繩系從卷軸的恒速釋放。作用于高靈敏度力傳感器 (與卷軸裝置連接)的外力能夠以釋放摩擦力的形式被測量到。通過調(diào)節(jié)纏繞裝置的速度可以控制繩系的釋放速度。圖17給出了仿真結(jié)果。

圖17 釋放摩擦力與釋放速度及釋放角度的關(guān)系圖Fig.17 The relationship among the release friction force，the deployment velocity and the deployment angle

4.2.2 繩系制動裝置的地面測試

繩系制動裝置試驗配置圖如圖18(a)所示。制動裝置采用懸掛方式，而且與高靈敏度力傳感器連接。當(dāng)纏繞裝置以恒定速度從制動裝置牽拉繩系，能夠測量到制動裝置產(chǎn)生的外力。釋放速度考慮設(shè)置為0.5m/s、1.0m/s及2.0m/s。圖18(b)給出了仿真結(jié)果。

5 啟示與建議

5.1 啟示

(1)電動力繩具有極為廣闊的空間應(yīng)用前景。

以KITE計劃為代表的電動力繩系離軌技術(shù)及關(guān)鍵技術(shù)驗證已逐漸受到國內(nèi)外航天大國的關(guān)注，目前主要應(yīng)用背景就是空間碎片清理。事實上，空間碎片清理已成為世界航天界非常關(guān)注的重大課題。有計算結(jié)果表明，僅通過碎片軌道的自然衰減使碎片及失效航天器離軌通常耗時極長，因此迫切需要開發(fā)低耗高效的碎片離軌、清除技術(shù)。目前主要有推力離軌、空間機器人離軌等方法，但這些方法都存在耗能大、成本高的缺點，而基于電動力繩的離軌技術(shù)能夠彌補這些缺點，能夠有效降低推進劑消耗，并實現(xiàn)對太空垃圾執(zhí)行碎片及失效航天器的清理。

另一方面，根據(jù)電動力繩的工作原理，電動力繩不僅可以實現(xiàn)離軌，還可以通過添加額外的電源裝置，實現(xiàn)航天器的推進。因此，電動力繩在空間應(yīng)用領(lǐng)域存在著極為廣闊的應(yīng)用前景。

(2)空間繩系動力學(xué)十分復(fù)雜，需要通過仿真分析與地面試驗開展深入研究。

空間電動力繩的應(yīng)用是一個探索性極強的研究領(lǐng)域，涉及許多尚待解決的重要科學(xué)問題，即使結(jié)構(gòu)形式最為簡單的電動力繩系統(tǒng)，其動力學(xué)及控制問題也十分復(fù)雜。由于系繩具有柔性大、阻尼小等特點，當(dāng)其被置于空間環(huán)境并與航天器耦合時極易產(chǎn)生一系列復(fù)雜的天平動及振動，同時，電-力耦合作用也可能使系統(tǒng)姿態(tài)運動能量不斷增加而導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)。因此，需要通過理論研究、仿真分析及地面試驗等手段對繩系的動力學(xué)行為研究透徹。

圖18 繩系制動裝置的地面測試配置與結(jié)果曲線Fig.18 The test results of the tether braking device

(3)降低控制算法的復(fù)雜性，提高機構(gòu)的可靠性。

KITE計劃中，其繩系釋放及制動過程通過簡單的硬件機構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)，并不存在控制行為，本質(zhì)上屬于被動釋放過程。這種方式能夠有效地避免復(fù)雜的飛行控制軟件帶來的系統(tǒng)低可靠性，同時通過硬件機構(gòu)的可靠性確保繩系的可靠釋放。盡管最終在軌試驗由于釋放裝置的故障而終止，但這種 “輕算法，重機構(gòu)”的設(shè)計研制思路值得借鑒。進一步，在機構(gòu)巧妙設(shè)計的基礎(chǔ)上，需要大量數(shù)值仿真及地面試驗確保機構(gòu)的可靠性。

(4)在軌試驗盡可能采用搭載試驗，并利用飛行器已有技術(shù)及單機。

KITE計劃通過搭載HTV-6開展，并大量使用了HTV的裝置，如交會雷達、推進裝置及電源等裝置，避免了飛行器及相關(guān)裝置的重新研制，大大降低了研制周期及費用，使研究團隊聚焦于關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，顯著提高了研究效率。受啟發(fā)于此，新技術(shù)的驗證，應(yīng)盡可能采取搭載方式，并對成熟飛行器進行適應(yīng)性改進實現(xiàn)。

5.2 建議

空間電動力繩系統(tǒng)是一個探索性極強的研究領(lǐng)域，由于系統(tǒng)具有電-力耦合、強非線性、大變形等特點，導(dǎo)致當(dāng)前研究多局限于簡化模型、近似方法、數(shù)值算例等方面，與真實空間環(huán)境存在較大差異。本文通過對KITE計劃的研究，對我國開展電動力繩系離軌技術(shù)發(fā)展思路提出如下建議:

(1)電動力繩系統(tǒng)屬于多物理場耦合系統(tǒng)，電-力耦合、時變參數(shù)、軌道-姿態(tài)、環(huán)境攝動等使系統(tǒng)具有高度非線性和復(fù)雜性，需要深入揭示電動力繩系統(tǒng)的非線性動力學(xué)行為。

(2)亟需加強空間電動力繩系統(tǒng)的完備地面試驗研究，尤其加強對 “裸系繩”電子采集技術(shù)的試驗研究。