在軌服務(wù)中空間系繩的應(yīng)用及發(fā)展

孟中杰，黃攀峰，魯迎波，胡永新

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

0 引 言

隨著人類(lèi)航天事業(yè)的快速發(fā)展，在軌服務(wù)技術(shù)受到了廣泛關(guān)注。早期的在軌服務(wù)任務(wù)完全依賴(lài)宇航員出艙操作。20世紀(jì)80年代以來(lái)，以機(jī)械臂為代表的空間機(jī)器人使在軌服務(wù)技術(shù)跨入了一個(gè)新的時(shí)代。進(jìn)入21世紀(jì)后，利用空間系繩的柔性、彈性、易擴(kuò)展性等優(yōu)點(diǎn)研發(fā)的空間繩系機(jī)器人、空間繩網(wǎng)機(jī)器人，具有操作距離遠(yuǎn)、安全、靈活等諸多優(yōu)勢(shì)，可廣泛應(yīng)用于失控衛(wèi)星捕獲與回收、軌道垃圾清理等在軌服務(wù)任務(wù)。

實(shí)際上，空間系繩并不是一個(gè)全新的概念，其最早可以追溯到19世紀(jì)Tsiolkovski[1]提出的“赤道通天塔的設(shè)想”，但在一開(kāi)始，空間系繩的應(yīng)用只是科學(xué)幻想而非現(xiàn)實(shí)。研究人員設(shè)想通過(guò)系繩旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生人工重力或者是利用系繩制作空間電梯并用于軌道轉(zhuǎn)移等。在20世紀(jì)60年代，空間系繩的應(yīng)用出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折，在之后的幾十年內(nèi)，以美、俄羅斯為代表的航天強(qiáng)國(guó)開(kāi)展了多個(gè)空間系繩的在軌應(yīng)用試驗(yàn)，發(fā)表了許多關(guān)于空間系繩應(yīng)用的研究成果?？臻g繩系機(jī)器人和空間繩網(wǎng)機(jī)器人的出現(xiàn)又進(jìn)一步拓展了空間系繩的應(yīng)用范圍，將空間系繩的研究推入一個(gè)新的高潮。

本文重點(diǎn)對(duì)空間繩系機(jī)器人、空間繩網(wǎng)機(jī)器人這兩種空間系繩新應(yīng)用的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。首先簡(jiǎn)單回顧了空間系繩的早期應(yīng)用及驗(yàn)證試驗(yàn)，然后依次綜述了空間繩系機(jī)器人的研究進(jìn)展、空間繩網(wǎng)機(jī)器人的研究進(jìn)展，最后進(jìn)行總結(jié)和展望。

1 空間系繩的早期應(yīng)用研究與試驗(yàn)

1.1 早期應(yīng)用研究

1)人工重力

人工重力可為執(zhí)行長(zhǎng)時(shí)間航天任務(wù)的宇航員提供一種較為舒適的生活環(huán)境，而利用慣性離心力可以產(chǎn)生人工重力，這是空間系繩應(yīng)用被提出的重要原因之一。

2)空間電梯

空間電梯是空間系繩應(yīng)用的最初目的之一。其本質(zhì)是利用系繩將地球表面與同步軌道空間站相連，在不消耗燃料的情況下通過(guò)電梯將貨物送入軌道，所運(yùn)送的貨物在任意時(shí)刻均可與系繩分離進(jìn)入軌道，且可以適應(yīng)不同類(lèi)型的軌道。

3)重力穩(wěn)定

基于重力梯度的被動(dòng)穩(wěn)定控制可以避免對(duì)地定向過(guò)程中消耗推進(jìn)劑。Chobotov[2]提出一種利用帶載荷柔性長(zhǎng)系繩進(jìn)行重力梯度穩(wěn)定的方法，將航天器和穩(wěn)定載荷間的距離擴(kuò)展到數(shù)千米，很好地實(shí)現(xiàn)航天器的穩(wěn)定控制。

4)軌道轉(zhuǎn)移

利用系繩的軌道轉(zhuǎn)移方法分為動(dòng)量交換變軌和電動(dòng)力繩變軌兩種。動(dòng)量交換變軌是利用系繩連接的兩個(gè)航天器間的動(dòng)量轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)一個(gè)航天器升軌、一個(gè)航天器降軌。電動(dòng)力繩變軌是通過(guò)帶電導(dǎo)線和地磁場(chǎng)的相互作用產(chǎn)生的洛倫茲力來(lái)實(shí)現(xiàn)，可以在不消耗推進(jìn)劑的情況下實(shí)現(xiàn)航天器的軌道維持或轉(zhuǎn)移。截止目前為止，軌道轉(zhuǎn)移仍是空間系繩領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，被國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注。

5)系繩編隊(duì)

由于各種空間干擾的存在，衛(wèi)星需要消耗大量燃料保持編隊(duì)構(gòu)型。而利用系繩連接形成的系繩衛(wèi)星編隊(duì)，可以通過(guò)系繩很好地保持衛(wèi)星間的相對(duì)距離。特別是，特定構(gòu)型的系繩編隊(duì)具有很好的自旋穩(wěn)定性，可以節(jié)省編隊(duì)飛行所需的大量燃料。系繩編隊(duì)由于其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，并日益成為系繩應(yīng)用的一個(gè)重要方向。

1.2 空間試驗(yàn)驗(yàn)證

1965年3月18日，前蘇聯(lián)宇航員在第一次太空行走時(shí)，利用一根繩子將他與飛船相連，這是第一次在太空應(yīng)用系繩的試驗(yàn)。從此以后，作為安全措施，系繩在太空行走等空間任務(wù)中長(zhǎng)期應(yīng)用。

1966年9月12日，在美國(guó)“雙子座-11號(hào)”任務(wù)中，“雙子座”飛船和“阿金納”飛船通過(guò)系繩相連，并通過(guò)旋轉(zhuǎn)，首次產(chǎn)生了10-4g的人工重力加速度。同年11月11日，在“雙子座-12號(hào)”任務(wù)中，首次開(kāi)展利用系繩的重力穩(wěn)定試驗(yàn)。這兩次試驗(yàn)表明，空間系繩的動(dòng)力學(xué)特性十分復(fù)雜。因此，在“阿波羅”登月計(jì)劃中未利用空間系繩，這也是導(dǎo)致系繩空間試驗(yàn)停滯十多年的主要原因。

進(jìn)入20世紀(jì)80年代后，研究人員對(duì)空間系繩試驗(yàn)重燃興趣。美國(guó)、日本、加拿大等國(guó)利用系繩進(jìn)行了大量試驗(yàn)，例如系繩載荷試驗(yàn)、合作高空火箭炮試驗(yàn)、電離層等離子體電場(chǎng)分布測(cè)量試驗(yàn)等。

1992年7月，美國(guó)和意大利合作開(kāi)展了繩系衛(wèi)星系統(tǒng)(TSS-1)試驗(yàn)。該試驗(yàn)主要針對(duì)系繩動(dòng)力學(xué)、基于法拉第效應(yīng)的電能產(chǎn)生等進(jìn)行試驗(yàn)研究。在試驗(yàn)中，子衛(wèi)星垂直向下釋放，在釋放268 m時(shí)發(fā)生故障，無(wú)法繼續(xù)展開(kāi)。在TSS-1計(jì)劃失敗后，TSS-1R計(jì)劃于1996年再次啟動(dòng)。在這次試驗(yàn)中，系繩展開(kāi)了19.7 km，產(chǎn)生了3500 V的電壓，證明了導(dǎo)電系繩在電能產(chǎn)生方面的巨大潛力。

1993年3月，美國(guó)開(kāi)展了小型可擴(kuò)展展開(kāi)系統(tǒng)(SEDS-1)試驗(yàn)。目的在于驗(yàn)證利用系繩不消耗燃料實(shí)現(xiàn)載荷返回的能力。系繩展開(kāi)過(guò)程比預(yù)想的快且順利，展開(kāi)結(jié)束時(shí)相對(duì)速度達(dá)到7 m/s，導(dǎo)致了一系列的振蕩。系繩在預(yù)定時(shí)間切斷，載荷墜落到墨西哥海岸附近。1994年，同一個(gè)試驗(yàn)小組進(jìn)行了SEDS-2試驗(yàn)，驗(yàn)證反饋控制下系繩展開(kāi)機(jī)構(gòu)的效率。該試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了系繩沿當(dāng)?shù)劂U垂方向的展開(kāi)，展開(kāi)后相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度小于0.02 m/s，擺動(dòng)幅度小于4°。

1996年，美國(guó)進(jìn)行了系繩物理學(xué)與生存能力試驗(yàn)(TiPS)，主要目的是研究空間系繩的可靠性和長(zhǎng)期使用問(wèn)題。該試驗(yàn)計(jì)劃運(yùn)行三年，但直至2006年，該系統(tǒng)仍然在軌道上良好運(yùn)行。在TiPS試驗(yàn)成功的基礎(chǔ)上，1998年，先進(jìn)系繩試驗(yàn)系統(tǒng)(ATEx)被送入軌道，主要驗(yàn)證利用航天器上推力器抑制系繩振蕩的方法，并考察多芯扁平系繩的可靠性。

2000年，美國(guó)通過(guò)在軌皮衛(wèi)星自動(dòng)發(fā)射平臺(tái)將一對(duì)由30 m系繩連接的皮衛(wèi)星送入軌道，順利完成了MEMS的空間驗(yàn)證。

2002年，歐空局提出了地球同步軌道清理機(jī)器人(ROGER)計(jì)劃，計(jì)劃通過(guò)系繩連接的手爪和網(wǎng)對(duì)失效衛(wèi)星進(jìn)行捕獲并移除。該計(jì)劃于2003年完成方案設(shè)計(jì)評(píng)審后即被終止，但其提出了系繩新的應(yīng)用方式，啟發(fā)并引領(lǐng)了十幾年來(lái)的空間系繩研究。在一個(gè)新的軌道垃圾主動(dòng)移除計(jì)劃中，利用了類(lèi)似的概念，并于2018年9月16日初步在軌驗(yàn)證了利用繩網(wǎng)捕獲模擬目標(biāo)，2019年2月8日初步驗(yàn)證了利用繩矛捕獲模擬目標(biāo)。

2007年，俄羅斯和歐洲聯(lián)合進(jìn)行青年工程師衛(wèi)星-2(YES2)試驗(yàn)，驗(yàn)證利用系繩動(dòng)態(tài)釋放方法實(shí)現(xiàn)在軌載荷返回的可行性。系繩順利展開(kāi)至29 km，返回艙成功離軌，試驗(yàn)衛(wèi)星軌道高度抬升了1.3 km。

2009年，日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)利用H-IIA火箭發(fā)射并試驗(yàn)了KUKAI衛(wèi)星系統(tǒng)，驗(yàn)證利用系繩和擺桿控制子星姿態(tài)的可行性。由于故障，系繩僅展開(kāi)幾厘米，試驗(yàn)失敗。

2010年，日本和美國(guó)聯(lián)合完成了空間系繩試驗(yàn)(T-REX)，首次成功驗(yàn)證絕緣電動(dòng)力繩收集空間電子的可行性，并驗(yàn)證了預(yù)測(cè)小尺度空間系繩收集電子效率的相關(guān)理論。

2 空間繩系機(jī)器人

空間繩系機(jī)器人(見(jiàn)圖1、圖2)是由剛性的繩系機(jī)器人、空間系繩和空間平臺(tái)三部分組成的新型空間在軌捕獲工具[3-5]。由于其較遠(yuǎn)的操作距離、大機(jī)動(dòng)性與靈活性，空間繩系機(jī)器人(Tethered space robot，TSR)在空間在軌服務(wù)任務(wù)中極具發(fā)展前景，可廣泛應(yīng)用于空間在軌維護(hù)、在軌加注、軌道機(jī)動(dòng)和空間碎片清除等任務(wù)中。2019年2月8日在軌驗(yàn)證的繩矛可以視為一種特殊的無(wú)自主機(jī)動(dòng)能力的空間繩系機(jī)器人?？臻g繩系機(jī)器人的任務(wù)流程如圖3所示，可分為下述四個(gè)階段。

1)變軌/接近機(jī)動(dòng)段。空間平臺(tái)通過(guò)一系列變軌/接近機(jī)動(dòng)逼近至距目標(biāo)星200 m處，為空間繩系機(jī)器人的釋放做準(zhǔn)備。

2)逼近段。平臺(tái)釋放繩系機(jī)器人，機(jī)器人控制系統(tǒng)根據(jù)自主測(cè)量的目標(biāo)星的位置、姿態(tài)等信息，利用自帶的推力器和系繩協(xié)調(diào)控制相對(duì)位置和姿態(tài)，確保以最佳抓捕狀態(tài)靠近目標(biāo)。

3)抓捕及穩(wěn)定段。繩系機(jī)器人抓捕目標(biāo)衛(wèi)星的帆板支架、星箭對(duì)接環(huán)等特定部位。在捕獲完成后，利用自帶的推力器和空間平臺(tái)上的系繩張力調(diào)節(jié)裝置共同作用，實(shí)現(xiàn)捕獲后組合體的快速穩(wěn)定。

4)拖曳變軌段。利用空間平臺(tái)上的變軌推力器對(duì)組合體實(shí)施單端推力拖曳變軌，同時(shí)，利用系繩收放、張力控制等實(shí)現(xiàn)組合體的姿態(tài)穩(wěn)定和目標(biāo)星的姿態(tài)穩(wěn)定，在達(dá)到期望軌道時(shí)，機(jī)器人釋放目標(biāo)星，并回收至空間平臺(tái)。

本節(jié)從動(dòng)力學(xué)特性分析、目標(biāo)星相對(duì)狀態(tài)測(cè)量、逼近控制、抓捕及穩(wěn)定、拖曳變軌五個(gè)方面綜述空間繩系機(jī)器人的研究進(jìn)展。

2.1 動(dòng)力學(xué)特性分析

在動(dòng)力學(xué)建模方面，根據(jù)復(fù)雜度的不同，目前有三個(gè)層次的系繩模型[4-5]。最簡(jiǎn)單的是啞鈴模型，這種模型忽略了系繩的彈性和柔性，而將其假設(shè)成一個(gè)剛性桿；其次是質(zhì)量彈簧模型，這種模型重點(diǎn)考慮系繩的半彈簧特性，而忽略了系繩的柔性特性；最復(fù)雜的是系繩多體模型，這種模型利用有限元或集中質(zhì)量法，并充分考慮系繩的彈性和柔性，該模型最能體現(xiàn)系繩的特點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，Meng等[6]充分考慮兩端綁體的多剛體構(gòu)型和系繩收放因素，提出一種通用的空間繩系機(jī)器人的建模方法，為其動(dòng)力學(xué)特性的分析及后續(xù)的控制研究奠定了基礎(chǔ)。

在此基礎(chǔ)上，眾多的科研工作者對(duì)其動(dòng)力學(xué)特性展開(kāi)了大量研究。Mantri等[7]詳細(xì)分析了空間系繩在展開(kāi)階段的動(dòng)力學(xué)影響因素，Yu等[8]研究了J2攝動(dòng)和熱效應(yīng)作用下系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)行為，同時(shí)還分析了J2攝動(dòng)、熱效應(yīng)、大氣阻力、太陽(yáng)光壓、碎片撞擊和軌道偏心率等復(fù)雜外部環(huán)境下的系統(tǒng)非線性動(dòng)力學(xué)特性[9]。He等[10]在推導(dǎo)空間繩系系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，計(jì)算了系繩展開(kāi)和回收時(shí)的平衡狀態(tài)條件。Liu等[11]分析了帶有短系繩的太空拖船在離軌階段的動(dòng)力學(xué)特性。俄羅斯繩系研究方面的著名學(xué)者Aslanov等在文獻(xiàn)[12-17]中也深入研究了利用空間拖船進(jìn)行碎片清理時(shí)的動(dòng)力學(xué)特性，考慮了太空拖船的推力作用、大氣擾動(dòng)、重力梯度、空間碎片的動(dòng)力學(xué)特性以及系繩振動(dòng)和碎片振動(dòng)的耦合關(guān)系等諸多因素。伊朗學(xué)者Soltani等[18]研究了一類(lèi)空間繩系機(jī)器人系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性及其軌跡跟蹤效果。

2.2 目標(biāo)相對(duì)狀態(tài)測(cè)量

空間繩系機(jī)器人需要自主測(cè)量目標(biāo)星與機(jī)器人的相對(duì)狀態(tài)信息，但受機(jī)器人小型化約束，繩系機(jī)器人的傳感器配置極為受限，這給相對(duì)狀態(tài)測(cè)量帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。針對(duì)此問(wèn)題，西北工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院進(jìn)行了深入研究[4-5]。

針對(duì)較遠(yuǎn)距離階段目標(biāo)跟蹤問(wèn)題，Huang等[19]提出了一種基于單目視覺(jué)的特征點(diǎn)實(shí)時(shí)追蹤方法。針對(duì)中距離階段難以利用視覺(jué)傳感器精確解算出目標(biāo)和機(jī)器人的距離問(wèn)題，文獻(xiàn)[20-21]系統(tǒng)地提出一種基于角度導(dǎo)航的目標(biāo)逼近策略。Huang等[22]設(shè)計(jì)了一種非完整視場(chǎng)下的目標(biāo)測(cè)量方法，該方法可精確估計(jì)出機(jī)器人和目標(biāo)間的位置和姿態(tài)信息。針對(duì)超近距階段相對(duì)位姿無(wú)法測(cè)量問(wèn)題，Chen等[23]研究了對(duì)目標(biāo)邊緣線的實(shí)時(shí)跟蹤問(wèn)題，可利用點(diǎn)線不變特征，提取出非完整視場(chǎng)下的帆板支架邊緣信息;同時(shí)該研究團(tuán)隊(duì)還提出一種非合作目標(biāo)捕獲時(shí)的位置預(yù)測(cè)方法[24]，并基于結(jié)構(gòu)化邊緣和超像素對(duì)比法優(yōu)化了目標(biāo)候選區(qū)域[25]。此外，蔡佳[26]也對(duì)空間繩系機(jī)器人的測(cè)量做了大量工作，特別是提出了一種基于梯度生長(zhǎng)和灰度投影的圓形檢測(cè)算法[27-28]。該方法所需設(shè)置參數(shù)較少；通過(guò)適應(yīng)區(qū)域的應(yīng)用極大地減少了無(wú)用的距離計(jì)算和累加，同時(shí)提高了求解圓參數(shù)的精度，且不依賴(lài)目標(biāo)的邊緣信息檢測(cè)。

2.3 目標(biāo)逼近控制

由于姿態(tài)/軌道耦合、系繩彈性振動(dòng)、推進(jìn)器執(zhí)行能力受限以及工作環(huán)境的復(fù)雜性等，空間繩系機(jī)器人逼近控制極為復(fù)雜。針對(duì)此難題，西北工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院進(jìn)行了大量深入研究。

孟中杰、黃攀峰等系統(tǒng)研究了目標(biāo)星的逼近控制問(wèn)題，針對(duì)不同階段、不同控制目的提出了不同的控制思路[4-5]。文獻(xiàn)[29-30]提出了一種基于速度增量的多目標(biāo)逼近軌跡優(yōu)化控制方法，利用機(jī)器人自帶推力器提供速度增量的方式進(jìn)行軌跡規(guī)劃及優(yōu)化。文獻(xiàn)[31-32]針對(duì)逼近段的燃料消耗問(wèn)題，設(shè)計(jì)基于自適應(yīng)偽譜法的最優(yōu)控制器和協(xié)調(diào)控制方法，充分利用系繩張力，顯著降低燃料消耗。王東科等[33]設(shè)計(jì)了一種基于可移動(dòng)系繩點(diǎn)的姿態(tài)協(xié)調(diào)控制機(jī)構(gòu)，利用系繩同時(shí)實(shí)現(xiàn)姿態(tài)的協(xié)調(diào)控制；Wang等[34]還提出了一種新型逼近穩(wěn)定控制策略，該控制方法同樣利用可移動(dòng)系繩連接點(diǎn)，利用系繩張力和推力的協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)星的逼近控制。而胡仄虹等[35]利用hp自適應(yīng)偽譜算法和PD控制器構(gòu)建了一種位姿耦合控制器，胡永新等[36]設(shè)計(jì)了一種基于超扭滑模動(dòng)態(tài)逆控制方法，有效抑制各種外部擾動(dòng)，控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的魯棒性。針對(duì)近距離逼近段視場(chǎng)不完整問(wèn)題，孟中杰等[37]提出一種基于直線跟蹤的混合視覺(jué)伺服控制方法，利用帆板支架邊緣線圖像特征跟蹤相對(duì)位姿，同時(shí)利用基座具有較大誤差的量測(cè)信息保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.4 目標(biāo)抓捕及穩(wěn)定

在目標(biāo)抓捕及穩(wěn)定控制方面，西北工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院同樣進(jìn)行了大量深入研究[4-5]。

文獻(xiàn)[38-39]分析繩系機(jī)器人抓捕目標(biāo)過(guò)程，并設(shè)計(jì)了一種抓捕過(guò)程的阻抗控制器，確保實(shí)現(xiàn)快速可靠抓捕。Zhang等[40]針對(duì)抓捕后組合體參數(shù)未知問(wèn)題，研究了組合體的動(dòng)力學(xué)特性，并在線辨識(shí)出組合體的慣性參數(shù)。充分考慮了系繩的柔性、彈性等因素影響，Huang等[41]設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)控制方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)未知參數(shù)組合體的姿態(tài)穩(wěn)定控制。Lu等[42]設(shè)計(jì)了一種終端滑?？刂品椒▉?lái)實(shí)現(xiàn)捕獲后繩系組合體的穩(wěn)定控制，但其將系繩視為外部擾動(dòng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)為機(jī)器人自帶的推力器，不能有效地降低燃料消耗。為降低抓捕后的燃料消耗問(wèn)題，Huang等[43-44]提出了一種協(xié)調(diào)控制方法，文獻(xiàn)[45-46]還考慮機(jī)器人小型推力器無(wú)法滿足組合體姿態(tài)穩(wěn)定需求因素，設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)抗飽和穩(wěn)定控制策略，該控制策略是由系繩張力和安裝在機(jī)器人上的推力器共同完成。針對(duì)以機(jī)械臂作為末端抓捕器的繩系機(jī)器人構(gòu)型，Wang等[47]設(shè)計(jì)了一種目標(biāo)捕獲后組合體的姿態(tài)協(xié)調(diào)穩(wěn)定控制律，該控制律是由推力器、系繩張力裝置和空間機(jī)械臂來(lái)提供。此外，Huang等[48]還設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)反步控制方法來(lái)實(shí)現(xiàn)組合體的穩(wěn)定控制，其中，指令濾波用來(lái)限制系繩收放速率，反饋?lái)?xiàng)用來(lái)解決推力飽和問(wèn)題，自適應(yīng)律項(xiàng)用來(lái)消除因參數(shù)不確定和外部擾動(dòng)帶來(lái)的擾動(dòng)效應(yīng)。

2.5 拖曳變軌

在完成目標(biāo)星捕獲與穩(wěn)定后，需要將其拖離當(dāng)前軌道，這稱(chēng)為拖曳變軌，屬于目前熱門(mén)的“主動(dòng)垃圾清理”研究。在利用空間繩系機(jī)器人進(jìn)行拖曳變軌中，由于僅空間平臺(tái)具有控制能力，系繩扮演著一個(gè)至關(guān)重要的角色。

Zhao等[49]研究了恒定推力下系繩的擺動(dòng)效應(yīng)，得出擺動(dòng)頻率、平衡位置均與繩長(zhǎng)相關(guān)的結(jié)論。Zhao等[50]還研究了利用系繩進(jìn)行拖曳過(guò)程中的推力控制策略，平臺(tái)變軌推力可始終沿著當(dāng)?shù)厮椒较?、軌道切向、軌道徑向和軌道法向。該種變軌方式雖能有效避免因推力關(guān)閉而帶來(lái)的不良影響，但是耗時(shí)較長(zhǎng)，推進(jìn)劑消耗也較大。Cho等[51]采用持續(xù)推力的變軌方式，提出以平臺(tái)推力為性能指標(biāo)的最優(yōu)變軌策略。在此基礎(chǔ)上，Meng等[52]設(shè)計(jì)了基于時(shí)間和推力綜合最優(yōu)的變軌軌道。

針對(duì)拖曳過(guò)程的穩(wěn)定控制問(wèn)題，王秉亨[53]等提出需要著重研究其防碰撞、防纏繞、防擺動(dòng)問(wèn)題。針對(duì)防碰撞問(wèn)題，Jasper等[54-55]采用了推力濾波技術(shù)使系繩張力平滑地順應(yīng)變軌推力的變化，保證了兩端有足夠的安全距離，但該策略必須保證系繩預(yù)先張緊。Benvenuto等[56]以相對(duì)距離為反饋量設(shè)計(jì)空間平臺(tái)的額外推力控制律。Linskens等[57]則針對(duì)推力施加階段和推力關(guān)閉階段分別設(shè)計(jì)不同的相對(duì)距離制導(dǎo)律。Cleary等[58]提出基于波控制的平臺(tái)推力控制律，通過(guò)吸收系繩反彈所產(chǎn)生的能量來(lái)防止兩端的碰撞。王秉亨[53]提出一種利用系繩張力分配及跟蹤控制的方法，用較小的代價(jià)解決了防碰撞問(wèn)題。針對(duì)防纏繞問(wèn)題，Meng等[59]設(shè)計(jì)了一種基于super-twisting的被動(dòng)振動(dòng)抑制方法，降低系繩纏繞可能性。Wang等[60]設(shè)計(jì)了一種擺桿機(jī)構(gòu)，僅利用系繩來(lái)實(shí)現(xiàn)拖曳過(guò)程中的欠驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定控制。在此基礎(chǔ)上，利用更加簡(jiǎn)單的線性滑桿[61]，并充分考慮執(zhí)行器動(dòng)態(tài)性能，設(shè)計(jì)了一種欠驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定控制器，實(shí)現(xiàn)拖曳過(guò)程中的穩(wěn)定控制，有效避免系繩纏繞。針對(duì)防擺動(dòng)問(wèn)題，Meng等[52]著重研究了系繩張力受限情況下的拖曳穩(wěn)定控制難題，王秉亨等[62]提出了一種先優(yōu)化系繩擺角指令，再設(shè)計(jì)欠驅(qū)動(dòng)張力控制律的系繩收放擺動(dòng)抑制策略。Meng等[63]還提出一種借助空間平臺(tái)變軌推力，依靠平臺(tái)姿態(tài)機(jī)動(dòng)，通過(guò)系繩傳導(dǎo)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)軌道跟蹤和系繩擺動(dòng)抑制的新方法。

2.6 進(jìn)展和挑戰(zhàn)

近年來(lái)，諸多學(xué)者針對(duì)空間繩系機(jī)器人操作任務(wù)各個(gè)階段的測(cè)量、動(dòng)力學(xué)和控制問(wèn)題展開(kāi)了研究，并取得了一定的成果。但空間繩系機(jī)器人系統(tǒng)是一個(gè)高度耦合的復(fù)雜多體系統(tǒng)，且柔性系繩的存在，使得利用繩系機(jī)器人執(zhí)行捕獲任務(wù)和完成捕獲后的控制極具挑戰(zhàn)性。尤其是在實(shí)際在軌服務(wù)任務(wù)中，若待捕獲的目標(biāo)是自由翻滾的非合作目標(biāo)或空間碎片，其對(duì)測(cè)量、逼近、捕獲、穩(wěn)定控制等帶來(lái)的一系列挑戰(zhàn)值得深入研究，且抓捕碰撞過(guò)程中的精細(xì)控制也值得深入研究。此外，最為困難的是，置信度高、具備天地一致性的地面試驗(yàn)驗(yàn)證手段缺乏，這也是制約當(dāng)前空間繩系機(jī)器人研究及應(yīng)用中的一個(gè)極大難題，需要廣大國(guó)內(nèi)外學(xué)者迎接挑戰(zhàn)。

3 空間繩網(wǎng)機(jī)器人

與空間繩系機(jī)器人的“系繩+剛性操作工具”構(gòu)型相比，空間繩網(wǎng)機(jī)器人將剛性操作裝置變?yōu)橐岳K索編織的柔性飛網(wǎng)，如圖4所示。雖然降低了末端操作能力，但通過(guò)將抓捕時(shí)的剛體-剛體形式改變?yōu)閯傮w-柔性體形式，將衛(wèi)星某部位抓捕方式改變?yōu)檎w抓捕，極大地提升了目標(biāo)捕獲能力，尤其適用于非合作失穩(wěn)目標(biāo)的捕獲[64]。2018年9月16日初步在軌驗(yàn)證的繩網(wǎng)就屬于空間繩網(wǎng)機(jī)器人。其目標(biāo)捕獲流程與空間繩系機(jī)器人相似，但增加了釋放后飛網(wǎng)從折疊到展開(kāi)的過(guò)程，本節(jié)主要從網(wǎng)型與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、動(dòng)力學(xué)模型、繩網(wǎng)控制三個(gè)方面綜述當(dāng)前的主要研究進(jìn)展。

3.1 網(wǎng)型與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

空間繩網(wǎng)機(jī)器人的飛網(wǎng)展開(kāi)是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)的離心運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，離心運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致了飛網(wǎng)的非均勻預(yù)應(yīng)力分布。為保證網(wǎng)的順利展開(kāi)，整張網(wǎng)必須具有足夠的張力。網(wǎng)格的幾何拓?fù)錄Q定網(wǎng)的預(yù)應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力決定網(wǎng)面外角運(yùn)動(dòng)的剛度。在面外角上，網(wǎng)的剛度和旋轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生自身的振蕩。進(jìn)而導(dǎo)致網(wǎng)性能降低。因此，網(wǎng)型和網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的相關(guān)研究和分析極為重要。在這方面，Tibert等[65]研究了網(wǎng)的最大允許垂跨比，同時(shí)，他們研究了三角形網(wǎng)格的動(dòng)力學(xué)模型，并進(jìn)行了數(shù)值仿真[66-67]。Schüerch等[68]改進(jìn)了網(wǎng)的折疊方式設(shè)計(jì)，提出了一種能夠承受大剪切變形的四邊形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。Kyser[69]分析了具有均勻預(yù)應(yīng)力的網(wǎng)格幾何關(guān)系。此外，由于三角形、正方形和六角形是三種主要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，許多研究人員通過(guò)比較三者之間的結(jié)構(gòu)和應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)子的平衡構(gòu)型是由其應(yīng)力分布決定的。而Cook[70]，Evers-man[71]和Guest[72]等學(xué)者發(fā)現(xiàn)特征頻率和自由振模式對(duì)其行波、平面外阻尼和軌道機(jī)動(dòng)等其他現(xiàn)象影響明顯。網(wǎng)子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是空間繩網(wǎng)機(jī)器人的研究重點(diǎn)。MacNeal[73]提出了空間網(wǎng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)需要考慮質(zhì)量、預(yù)應(yīng)力性、可制造性、垂直于軌道面的剛度、特征頻率等。根據(jù)上述要求,在離心力作用下,帶有正方形網(wǎng)格的方形網(wǎng)是最佳選擇。

由于飛網(wǎng)需要預(yù)先折疊在空間平臺(tái)上并在發(fā)射后展開(kāi)，因此，良好折疊方式設(shè)計(jì)至關(guān)重要。許多研究人員在完成網(wǎng)型設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，根據(jù)柔性系繩的動(dòng)力學(xué)行為探索了多種折疊方式。Scheel[74]設(shè)計(jì)了一個(gè)具有直線折疊線的折疊模式, McInnes[75]提出一種自中心輪轂輻射的新折疊模式，而Schuerch[76]研究并設(shè)計(jì)了一種星形折疊模式，可以將網(wǎng)折疊到釋放子系統(tǒng)的中心輪轂處。

在空間繩網(wǎng)機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)方面，Benvenuto[77]分析了繩網(wǎng)機(jī)器人工作的全過(guò)程，包括：繩網(wǎng)機(jī)器人由釋放系統(tǒng)彈射，飛網(wǎng)展開(kāi)，并與分布于其角落的質(zhì)量塊同步飛行，與目標(biāo)碰撞，質(zhì)量塊收口并捕獲目標(biāo)。該團(tuán)隊(duì)還研究并完成了繩網(wǎng)機(jī)器人的詳細(xì)設(shè)計(jì)，包括材料、尺寸和配置、網(wǎng)格尺寸和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及收口裝置系統(tǒng)等，并進(jìn)行了拋物線飛行試驗(yàn),簡(jiǎn)單驗(yàn)證了釋放、彈射過(guò)程[78]。該團(tuán)隊(duì)還設(shè)計(jì)了一種繩網(wǎng)和網(wǎng)槍發(fā)射裝置，旨在研究拖著四個(gè)質(zhì)量塊的錐形或金字塔形的網(wǎng)[79]。該團(tuán)隊(duì)還重點(diǎn)研究了網(wǎng)拋射動(dòng)力學(xué)模擬器,并開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證[80]。文獻(xiàn)[81-82]也詳細(xì)研究了空間繩網(wǎng)機(jī)器人的設(shè)計(jì),包括彈射機(jī)制、網(wǎng)型配置和捕獲元件配置等。此外，Zhai等[83]還設(shè)計(jì)了繩網(wǎng)機(jī)器人的數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)、姿態(tài)/軌道控制子系統(tǒng)及目標(biāo)跟蹤子系統(tǒng)等。

3.2 繩網(wǎng)動(dòng)力學(xué)模型

飛網(wǎng)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題一直是空間繩網(wǎng)機(jī)器人的研究熱點(diǎn)。在單繩建模的基礎(chǔ)上，學(xué)者們建立了不同復(fù)雜度的繩網(wǎng)機(jī)器人模型，例如：剛性模型[80-84]、質(zhì)量彈簧模型[85-86]、絕對(duì)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)公式模型[87]和三次B樣條曲線插值表面模型[88]等。

最常用也最簡(jiǎn)單的是剛體模型，它將系繩視為剛體，將平臺(tái)和飛網(wǎng)視為質(zhì)量點(diǎn),模型簡(jiǎn)單、容易推導(dǎo),且可以更好地展示系繩的動(dòng)力學(xué)。在此基礎(chǔ)上, Zhai等[89]研究了其在展開(kāi)階段的性能,包括在圓形軌道上的自由和非自由運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力學(xué)，還研究了可能導(dǎo)致軌道高度變化的軌道動(dòng)力學(xué)擾動(dòng)問(wèn)題。Liu等[84]對(duì)這一模型進(jìn)行了簡(jiǎn)單修改，將飛網(wǎng)視為四根系繩，并研究了該系統(tǒng)的軌道運(yùn)動(dòng)、主星的相對(duì)高度運(yùn)動(dòng)以及捕獲后重新入軌的動(dòng)力學(xué)。彈簧模型能夠很好地反映繩網(wǎng)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué),多用于描述四邊形網(wǎng)。Benvenuto等[85]討論了繩網(wǎng)機(jī)器人在目標(biāo)捕獲和清除階段可能出現(xiàn)的問(wèn)題，并對(duì)碰撞檢測(cè)、接觸動(dòng)力學(xué)和回收中的系繩張力控制進(jìn)行了研究。Botta等[86]推導(dǎo)了考慮渦旋的飛網(wǎng)的質(zhì)量彈簧模型，還著重研究并分析了飛網(wǎng)的展開(kāi)動(dòng)力學(xué)[90]。絕對(duì)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)模型可以更好地描述網(wǎng)的彈性，特別是反映網(wǎng)上兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的彈性。Shan等[87]推導(dǎo)了空間繩網(wǎng)機(jī)器人的絕對(duì)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)模型,并在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上與傳統(tǒng)的質(zhì)量彈簧模型進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，絕對(duì)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)模型能夠描述網(wǎng)的柔性,但計(jì)算成本較高。此外，Shan等[91]利用拋物線飛行試驗(yàn)對(duì)飛網(wǎng)的展開(kāi)建模方法進(jìn)行了驗(yàn)證。

近年來(lái)，空間繩網(wǎng)機(jī)器人與目標(biāo)星的接觸動(dòng)力學(xué)受到了越來(lái)越多的關(guān)注。Benvenuto及其團(tuán)隊(duì)研究了接觸過(guò)程的各個(gè)方面,包括網(wǎng)和繩的建模、碎片建模、碰撞檢測(cè)、接觸動(dòng)力學(xué)、收口機(jī)制等[85]。該團(tuán)隊(duì)還改進(jìn)了接觸模型，用非線性連續(xù)順應(yīng)模型代替了傳統(tǒng)的線性赫茲定律[92]。Botta等[93]利用一種修正的接觸力線性連續(xù)模型和摩擦模型研究繩網(wǎng)機(jī)器人的接觸動(dòng)力學(xué)。該團(tuán)隊(duì)還引入了微滑移摩擦模型,并將該模型應(yīng)用于微重力和真空條件下圓柱形碎片的捕獲模擬中[94]。

3.3 繩網(wǎng)控制方法

由于繩網(wǎng)機(jī)器人在釋放后幾乎處于無(wú)控狀態(tài)，其控制方面的研究大部分集中在彈射和收口控制上。在這方面，Gao等[95]通過(guò)試驗(yàn)和仿真研究了繩網(wǎng)捕獲系統(tǒng)的釋放方案，Zhai等[81]提出了一種通過(guò)系繩張力補(bǔ)償誤差的控制方法，王班等[96]提出了一種采用超聲波電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源的飛網(wǎng)自適應(yīng)收口機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方法。Sharf等[97]研究了用于繩網(wǎng)清除的目標(biāo)碎片封閉系統(tǒng)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)。王曉慧等[98]從捕獲任務(wù)層面出發(fā)，建立了面向捕獲容錯(cuò)的飛網(wǎng)參數(shù)優(yōu)化模型，并求解得到了飛網(wǎng)的最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)。

西北工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院黃攀峰團(tuán)隊(duì)對(duì)空間繩網(wǎng)機(jī)器人進(jìn)行改進(jìn)，提出一種可機(jī)動(dòng)空間繩網(wǎng)機(jī)器人的概念[99-101],如圖5所示。該機(jī)器人由一張飛網(wǎng)和位于網(wǎng)角的可機(jī)動(dòng)單元組成。機(jī)動(dòng)單元的運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致飛網(wǎng)的不對(duì)稱(chēng)，從而產(chǎn)生極為復(fù)雜的振動(dòng)。由于網(wǎng)角的剛性可機(jī)動(dòng)單元和大型的柔性飛網(wǎng),其飛行控制問(wèn)題十分復(fù)雜。張帆等[101-102]研究了機(jī)動(dòng)飛網(wǎng)機(jī)器人的釋放動(dòng)力學(xué)和穩(wěn)定性，考慮系繩彈性和空間環(huán)境的不確定性,采用二階滑?？刂品椒▽?duì)機(jī)器人進(jìn)行了控制。同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)還分別對(duì)對(duì)稱(chēng)構(gòu)型和非對(duì)稱(chēng)構(gòu)型進(jìn)行了分析[103],提出了一種改進(jìn)的自適應(yīng)超扭滑模控制方案。在此基礎(chǔ)上，又提出一種改進(jìn)自適應(yīng)超扭滑?？刂坡桑瑢?duì)繩網(wǎng)的振動(dòng)進(jìn)行抑制[104]。該團(tuán)隊(duì)還利用機(jī)動(dòng)單元的控制能力，研究了飛網(wǎng)展開(kāi)階段的耦合動(dòng)力學(xué)建模和形狀保持難題[103-107]。同時(shí),孟中杰等[100]還利用約束反力推導(dǎo)了一種新的繩網(wǎng)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型,并提出了動(dòng)力學(xué)反演和滑?？刂频碾p環(huán)控制方案。此外，該團(tuán)隊(duì)還研究了基于編隊(duì)的空間飛網(wǎng)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)[108],利用擴(kuò)展的Hamilton原理推導(dǎo)了動(dòng)力學(xué)模型，并將其逆動(dòng)力學(xué)轉(zhuǎn)化為雙級(jí)優(yōu)化問(wèn)題，并研究了利用機(jī)動(dòng)單元的飛網(wǎng)收口控制[109]，捕獲時(shí)的碰撞及其穩(wěn)定控制等[110]。

3.4 進(jìn)展與挑戰(zhàn)

近年來(lái),利用空間繩網(wǎng)機(jī)器人主動(dòng)移除被認(rèn)為是一種有前途的空間碎片清除方法,但與剛性捕獲相比,該方法仍處于起步研究的階段。由于繩網(wǎng)機(jī)器人在軌道捕獲中使用特殊的投擲展開(kāi)方式，且系繩相對(duì)較短，使得平臺(tái)衛(wèi)星和飛網(wǎng)的耦合明顯。而機(jī)動(dòng)繩網(wǎng)機(jī)器人通過(guò)多單元協(xié)同機(jī)動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)網(wǎng)型維持和機(jī)動(dòng)飛行，帶來(lái)了很多更加復(fù)雜的一致性控制問(wèn)題，值得深入研究。

4 結(jié) 論

由于柔性系繩在空間在軌服務(wù)中的潛在應(yīng)用，針對(duì)空間系繩的研究近年來(lái)成為一個(gè)研究熱點(diǎn)，已涌現(xiàn)出大量的研究成果。本綜述首先介紹了空間系繩的早期應(yīng)用與在軌試驗(yàn)，然后依次介紹了空間繩系機(jī)器人、空間繩網(wǎng)機(jī)器人兩種新型的系繩在軌應(yīng)用的研究與發(fā)展情況。然而，目前仍有許多關(guān)鍵問(wèn)題亟待解決。例如：受場(chǎng)地、環(huán)境等條件限制，大部分的研究均是通過(guò)數(shù)值仿真校驗(yàn)，少量具有試驗(yàn)驗(yàn)證的研究也僅涉及某個(gè)特定的單或多自由度，未證明其天地一致性問(wèn)題。此外，空間系繩的材料、編織方式等也是后續(xù)應(yīng)關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題，隨著空間技術(shù)的不斷發(fā)展，系繩由于其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，將在越來(lái)越多的任務(wù)場(chǎng)景中發(fā)揮作用。期待在不久的將來(lái)，空間系繩給人類(lèi)的太空探索和開(kāi)發(fā)帶來(lái)越來(lái)越多的革命性變化。