空間抓捕系統(tǒng)繩網(wǎng)的設(shè)計(jì)與研制

許望晶 王立武 唐明章 王文強(qiáng) 李少騰

(1 中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司航天進(jìn)入、減速與著陸技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094)(2 北京空間機(jī)電研究所，北京 100094)

空間碎片主動(dòng)清除方式(Active Debris Removal，ADR)，尤其是地球靜止軌道廢棄衛(wèi)星清理已成為航天界關(guān)注的熱點(diǎn)問題。美國(guó)國(guó)家航空航天局空間碎片計(jì)劃負(fù)責(zé)人Johnson[1]指出自2020年起，每年清除5～20個(gè)大型空間碎片就可抑制空間碎片總量的增長(zhǎng)，從而保證未來空間環(huán)境不再持續(xù)惡化。至此，空間碎片主動(dòng)清除被提上了各國(guó)空間技術(shù)的發(fā)展日程。

目前國(guó)內(nèi)外空間碎片主動(dòng)清除方式主要有推移離軌、增阻離軌以及抓捕離軌等[2]，空間繩網(wǎng)系統(tǒng)屬于抓捕離軌方式，其以在非合作目標(biāo)高可靠、遠(yuǎn)距離捕獲等方面的突出優(yōu)勢(shì)，為空間碎片清除操作提供了一種新的解決思路，也為未來在軌服務(wù)提供了一種有效手段?？臻g繩網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍的可容錯(cuò)捕獲，對(duì)目標(biāo)的適應(yīng)性強(qiáng)，同時(shí)也可降低對(duì)目標(biāo)探測(cè)識(shí)別與消旋的要求，與傳統(tǒng)的機(jī)械臂捕獲離軌方式相比，繩網(wǎng)捕獲具有壓縮體積小、發(fā)射質(zhì)量輕、抓捕距離遠(yuǎn)、容錯(cuò)范圍大、對(duì)載體影響小等突出優(yōu)勢(shì)。目前多國(guó)研究機(jī)構(gòu)啟動(dòng)了空間繩網(wǎng)抓捕的研究項(xiàng)目[3-4]，典型的有美國(guó)的“抓捕、取回、固定有效載荷”可展開網(wǎng)捕捉器(GRASP)，歐洲航天局的機(jī)械人地球靜止軌道復(fù)位器項(xiàng)目(ROGER)[5]及其后續(xù)項(xiàng)目主動(dòng)碎片移除計(jì)劃(e.Deorbit)[6-8]。2019年3月，歐空局完成了世上首次空間繩網(wǎng)在軌捕獲驗(yàn)證試驗(yàn)，通過彈射6個(gè)重約1 kg的質(zhì)量塊將繩網(wǎng)拉出展開，繩網(wǎng)最大展開口徑為5 m，將6 m外的模擬目標(biāo)捕獲，證明了繩網(wǎng)在軌捕獲的可行性。

國(guó)內(nèi)也一直在跟蹤、研制空間抓捕系統(tǒng)，其中繩網(wǎng)作為核心的抓捕執(zhí)行部件尤為關(guān)鍵。在實(shí)際研制時(shí)，選用什么樣的繩網(wǎng)結(jié)構(gòu)、采用什么的材料、怎么編制繩網(wǎng)以及繩網(wǎng)如何折疊包裝可有序拉出展開，這些都是在繩網(wǎng)設(shè)計(jì)和研制過程中需要解決的難題。本文結(jié)合空間繩網(wǎng)工程樣機(jī)研制情況，針對(duì)這些難題的解決進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)，以期為后續(xù)的研究提供參考和借鑒。

1 繩網(wǎng)方案設(shè)計(jì)

空間繩網(wǎng)是一種針對(duì)空間非合作目標(biāo)主動(dòng)清除的新型手段，工作過程如圖1所示，其由空間機(jī)動(dòng)平臺(tái)攜載，在與空間目標(biāo)保持一定飛行距離的情況下，通過在軌發(fā)射、展開一張由柔性繩編織的大網(wǎng)，以空間覆蓋的方式進(jìn)行抓捕，可提高空間目標(biāo)抓捕的安全性和可靠性，抓捕目標(biāo)后，將機(jī)動(dòng)平臺(tái)與目標(biāo)間通過系繩連接形成繩系組合體，可拖動(dòng)目標(biāo)離軌，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)清除。

圖1 空間抓捕系統(tǒng)工作過程示意Fig.1 Diagram of space inflatable net capture system

繩網(wǎng)以收攏折疊方式經(jīng)歷主動(dòng)段過載，入軌后需要抓捕目標(biāo)時(shí)，首先解鎖網(wǎng)包，然后通過發(fā)射裝置和牽引質(zhì)量塊將繩網(wǎng)拉出展開，形成具有一定面積的柔性大網(wǎng)捕獲目標(biāo)，根據(jù)空間抓捕系統(tǒng)工程樣機(jī)任務(wù)分析，提出本文的設(shè)計(jì)約束條件如下：

(1)可抓捕最大直徑20 m、最小直徑1 m的空間目標(biāo)；

(2)在彈射張開包裹目標(biāo)過程中極端情況受力最大為500 N；

(3)拖曳過程中的最大受力為1600 N；

(4)繩網(wǎng)要盡可能輕，在拉出展開過程中要防止纏繞鉤掛。

本文在繩網(wǎng)原理樣機(jī)研制的基礎(chǔ)上，采用仿真分析、設(shè)計(jì)加工及試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方式開展了研究，以期實(shí)現(xiàn)特大型繩網(wǎng)技術(shù)的突破。

1.1 繩網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1.1 繩網(wǎng)構(gòu)型選擇

繩網(wǎng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)型[9]設(shè)計(jì)包括網(wǎng)型選型設(shè)計(jì)和網(wǎng)目選型設(shè)計(jì)2個(gè)部分，繩網(wǎng)構(gòu)型可以描述為由交叉節(jié)點(diǎn)及連接交叉節(jié)點(diǎn)之間的繩段組合而成。按照繩網(wǎng)的自然展開形狀可以劃分為二維平面繩網(wǎng)和三維繩網(wǎng)，從加工工藝的角度出發(fā)，二維平面繩網(wǎng)更易于加工。本文中繩網(wǎng)結(jié)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)選取二維平面繩網(wǎng)。

中心對(duì)稱性要求是繩網(wǎng)內(nèi)力均衡性和折疊封貯兩方面的共同要求，因此，網(wǎng)型應(yīng)首先滿足正邊形構(gòu)型，且應(yīng)由多塊相同網(wǎng)體拼接而成，用N代表繩網(wǎng)邊數(shù)，則正三、四、六、八邊形繩網(wǎng)可以表示為N=3、N=4、N=6和N=8，如圖2所示。

對(duì)正三、四、六、八邊形繩網(wǎng)的力學(xué)性能要求和展開性能要求進(jìn)行仿真，用t表示繩網(wǎng)拉出展開時(shí)間，仿真結(jié)果如圖3所示，經(jīng)綜合比較分析不同正多邊形的拉出展開性能以及考慮抓捕系統(tǒng)的整體優(yōu)化，最終選擇正六邊形網(wǎng)型作為工程樣機(jī)網(wǎng)型。

圖2 網(wǎng)型選擇示意Fig.2 Diagram of net type

圖3 不同正多邊形拉出展開仿真對(duì)比Fig.3 Comparison of regular polygon net unfold simulation

常用的網(wǎng)目形狀包括3種形狀：①正三角形；②正四邊形；③正六邊形。用μ代表繩網(wǎng)網(wǎng)目邊數(shù)，則3種網(wǎng)目形狀可以表示為μ=3、μ=4和μ=6，如圖4所示。

圖4 正六邊形繩網(wǎng)網(wǎng)目示意Fig.4 Diagram of regular hexagon net mesh

相比較于三角形網(wǎng)目，在不產(chǎn)生面內(nèi)局部壓縮和褶皺的情況下，四邊形網(wǎng)目可以承受更大的剪切變形。這一點(diǎn)對(duì)后面繩網(wǎng)的折疊封裝尤其重要，且六邊形網(wǎng)目加工復(fù)雜且相對(duì)四邊形網(wǎng)目無明顯優(yōu)勢(shì)，因此正六邊形網(wǎng)型網(wǎng)目選擇四邊形。

1.1.2 繩網(wǎng)材料選擇

在繩網(wǎng)工作過程包含有撞擊、大質(zhì)量拖曳等環(huán)節(jié)，因此編制繩網(wǎng)的材料必須要有較大的強(qiáng)度；同時(shí)為節(jié)約發(fā)射成本，減輕質(zhì)量，還要求該材料具有輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn)；為了便于繩網(wǎng)的加工和折疊封貯以及防止纏繞，要求繩網(wǎng)材料具有柔軟、可彎曲、表面光滑等特性。此外空間環(huán)境要求繩網(wǎng)材料具有耐高低溫、抗強(qiáng)輻射、抗剪切、強(qiáng)絕緣性等特性。紡織行業(yè)通常將具備以上一項(xiàng)或多項(xiàng)性能特點(diǎn)的纖維統(tǒng)稱為高性能纖維。目前世界范圍內(nèi)已經(jīng)工程化應(yīng)用的高性能纖維材料主要包括：聚酰亞胺纖維(PI)、聚對(duì)苯基苯并二惡唑(PBO)、高強(qiáng)高模聚乙烯纖維(HSHMPE)、碳纖維、玄武巖纖維、Vectran纖維、間位芳綸纖維(國(guó)產(chǎn)名為芳綸1313)、對(duì)位芳綸纖維(國(guó)產(chǎn)名為芳綸1414)、雜環(huán)芳綸(芳綸Ⅲ)等，具體性能比較見表1。

表1 高性能纖維性能比較Table 1 Comparison of high performance fibers

綜合來看，所有高性能纖維材料均不能同時(shí)在所有任務(wù)關(guān)心的性能方面具備優(yōu)良品質(zhì)，其中，聚酰亞胺耐原子氧能力弱，碳纖維、玄武巖纖維打結(jié)強(qiáng)度損失大，PBO、Vectran纖維、芳綸材料的耐輻照性能較弱，HSHMPE長(zhǎng)期使用溫度低于80 ℃。若采取表面涂覆工藝或改性處理，但涂覆會(huì)導(dǎo)致與原狀態(tài)相比纖維會(huì)變得較為剛硬，不利于繩網(wǎng)編制及折疊包裝，且繩的直徑和質(zhì)量會(huì)相應(yīng)增加，不推薦使用。

綜上所述，經(jīng)過調(diào)研分析和材料的多方案比較，綜合考慮環(huán)境適應(yīng)性、力學(xué)特性等因素，在低軌使用時(shí)，建議選用芳綸Ⅲ纖維，在高軌無原子氧環(huán)境使用時(shí)，可選用聚酰亞胺纖維或芳綸Ⅲ纖維。

經(jīng)調(diào)研及研制，1 mm芳Ⅲ繩的額定斷裂強(qiáng)度可為1250 N，線密度為0.8 g/m，2 mm芳Ⅲ繩的額定斷裂強(qiáng)度可為4000 N，線密度為1.8 g/m，1 mm高強(qiáng)耐輻照聚酰亞胺繩的額定斷裂強(qiáng)度可為1000 N，線密度為1.2 g/m，2 mm高強(qiáng)耐輻照聚酰亞胺的額定斷裂強(qiáng)度可為2500 N，線密度為2.2 g/m。

1.2 繩網(wǎng)設(shè)計(jì)方案

繩網(wǎng)由內(nèi)圈繩、外圈繩、中部繩、徑向繩、系繩、收口繩和牽引繩等部分組成，如圖5所示，繩網(wǎng)邊長(zhǎng)20 m，網(wǎng)目大小為0.3 m，面積近1200 m2。繩網(wǎng)鋪平后最外圈(外圈繩)為平面六邊型，中心為一個(gè)六邊形孔(內(nèi)圈繩)，用于匹配后續(xù)結(jié)構(gòu)的安裝，外圈繩和內(nèi)圈繩之間由六根徑向繩連接，網(wǎng)目呈菱形，由中心向外呈輻射式排列，外圈繩與中部繩的交點(diǎn)處，每間隔一個(gè)點(diǎn)，形成一個(gè)繩環(huán)，用于穿收口繩。外圈繩圍成的平面正六邊形頂點(diǎn)處，引出有牽引繩，用于牽引繩網(wǎng)拉出展開；系繩連接在內(nèi)圈繩圍成的平面正六邊形上，用于對(duì)繩網(wǎng)捕獲的目標(biāo)進(jìn)行操作。

內(nèi)、外圈繩、徑向繩、牽引繩和系繩為繩網(wǎng)主要承力結(jié)構(gòu)，為抵抗繩網(wǎng)發(fā)射過程的沖擊、承受繩網(wǎng)碰撞目標(biāo)物以及拖曳過程中的受力，材料選用2 mm芳Ⅲ繩；中部繩和收口繩材料為1 mm芳Ⅲ繩。在繩網(wǎng)編制時(shí)，為保證結(jié)頭無松脫、滑移以及減少打結(jié)后的強(qiáng)度損失，通過不同打結(jié)方式的比較，2 mm芳Ⅲ繩與1 mm芳Ⅲ繩編制時(shí)采用穿插死結(jié)法進(jìn)行連接，2 mm芳Ⅲ繩間編制時(shí)采用交叉穿插法進(jìn)行連接。繩網(wǎng)編制加工后，總重約6.3 kg，2個(gè)網(wǎng)目的斷裂強(qiáng)度實(shí)測(cè)為774 N，整體繩網(wǎng)的強(qiáng)度將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于774 N。

圖5 繩網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意Fig.5 Diagram of space net structure

1.3 繩網(wǎng)折疊包裝

繩網(wǎng)的折疊收納及可靠展開是影響空間抓捕系統(tǒng)抓捕成敗的關(guān)鍵，繩網(wǎng)折疊收納的可靠性、一致性影響著繩網(wǎng)的拉出展開，因此需要設(shè)計(jì)合適的網(wǎng)包對(duì)繩網(wǎng)進(jìn)行折疊包裝。網(wǎng)包采用分區(qū)設(shè)計(jì)，分為繩網(wǎng)放置區(qū)、外圈繩放置區(qū)、系繩放置區(qū)，將繩網(wǎng)、系繩、外圈繩隔離開，同時(shí)繩網(wǎng)之間也有隔離，以減少纏繞、穿過和打結(jié)的發(fā)生，工作時(shí)避免繩網(wǎng)拉出過程中的質(zhì)心偏移，實(shí)現(xiàn)繩網(wǎng)的對(duì)稱拉出，過程有序可控。在研制過程中，對(duì)繩網(wǎng)進(jìn)行了多次折疊包裝和吊高出網(wǎng)試驗(yàn)，對(duì)網(wǎng)包以及包網(wǎng)工藝進(jìn)行了改進(jìn)、優(yōu)化和完善，確保了繩網(wǎng)的有序拉出展開。此外采用鏈?zhǔn)椒獍绞綄?duì)繩網(wǎng)進(jìn)行封包，既避免了繩網(wǎng)折疊包裝后繩網(wǎng)部分裸露在外的問題，也提高了繩網(wǎng)抗振動(dòng)的能力，通過了力學(xué)振動(dòng)試驗(yàn)的考核。

2 仿真分析

本文在文獻(xiàn)[10]的基礎(chǔ)上，采用集中質(zhì)量法建立繩網(wǎng)捕獲過程的動(dòng)力學(xué)模型?？臻g繩網(wǎng)是具有較強(qiáng)非線性的多柔體系統(tǒng)，很難獲得其解析形式的動(dòng)力學(xué)方程。本文采用有限元技術(shù)將繩網(wǎng)離散為若干繩索單元，采用鄰接表儲(chǔ)存繩索單元間的拓?fù)潢P(guān)系，記集合conn{i}為所有與節(jié)點(diǎn)i的相鄰的節(jié)點(diǎn)組成的集合，以Sij表示為連接節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j的繩段，lij為Sij的原長(zhǎng)，Aij為Sij的截面積，ρ為材料密度，節(jié)點(diǎn)i的質(zhì)量mi為

(1)

對(duì)于質(zhì)量塊，還需在式(1)上加上其質(zhì)量ms。在建模過程中，首先將繩索劃分單維質(zhì)量集中在端點(diǎn)上的有限繩段單元n。繩段單元采用“彈簧”和“阻尼器”單元等效，即集中質(zhì)量-半阻尼彈簧單元。單元如圖6所示，繩段單元n的剛度為kn；阻尼系數(shù)為cn；rn為節(jié)點(diǎn)n在節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)下的矢徑；rn-1為節(jié)點(diǎn)n-1在節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)下的矢徑。

繩網(wǎng)點(diǎn)i的動(dòng)力學(xué)方程都可以在地心慣性坐標(biāo)系下表示為

(2)

式中：Ti、Fiex、ri分別為節(jié)點(diǎn)i受到的等效張力矢量、等效外力矢量和矢徑；Tij為繩段Sij的張力矢量；Fijex為繩段Sij的外力矢量。

柔性體的碰撞與滑動(dòng)過程屬于邊界條件非線性問題。在空間柔性捕獲任務(wù)中，繩索不可避免地會(huì)與目標(biāo)發(fā)生碰撞接觸?；贖ertz接觸理論的碰撞力計(jì)算方法，進(jìn)行了捕獲目標(biāo)的動(dòng)力學(xué)分析，如圖7所示(單位為m)，繩網(wǎng)在拉出3.2 s時(shí)，展開的面積最大，為1040 m2，最大拉出距離為30 m，隨后繩網(wǎng)回彈使展開面積變小。

圖7 繩網(wǎng)拉出展開過程仿真示意Fig.7 Deployment simulation of space net

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

繩網(wǎng)完成研制后，參加了全系統(tǒng)的地面抓捕驗(yàn)證試驗(yàn)，共進(jìn)行了6次試驗(yàn)，彈射器的彈射速度實(shí)測(cè)為14.8～15.2 m/s，繩網(wǎng)子系統(tǒng)在6次試驗(yàn)中均順利解除封包、外圈繩、繩網(wǎng)本體依次從網(wǎng)包中有序拉出，將目標(biāo)捕獲，繩網(wǎng)拉出過程中無纏繞、穿過、打結(jié)和鉤掛現(xiàn)象，如圖8所示，表明繩網(wǎng)折疊包裝工藝的可靠性和一致性可滿足工程應(yīng)用要求，為后續(xù)工程應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

圖8 地面抓捕試驗(yàn)中繩網(wǎng)捕獲目標(biāo)過程示意Fig.8 Diagram of space net capture target in ground test

4 結(jié)束語

空間抓捕系統(tǒng)繩網(wǎng)作為柔性捕獲裝置在未來的空間碎片清除和在軌服務(wù)領(lǐng)域中具有極大的應(yīng)用潛力。本文研究了繩網(wǎng)的構(gòu)型，通過仿真分析及實(shí)物試驗(yàn)對(duì)比，確定了較優(yōu)構(gòu)型繩網(wǎng)-正六邊形網(wǎng)型正四邊形網(wǎng)目；對(duì)比分析不同高性能纖維性能選取了合適的繩網(wǎng)材料，面積近1200 m2繩網(wǎng)僅重6.3 kg，滿足了繩網(wǎng)質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的要求；研究了特大型繩網(wǎng)的加工方式及工藝，通過試驗(yàn)摸索解決了超細(xì)繩網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)編織、節(jié)點(diǎn)定位和滑移控制的問題；分析了繩網(wǎng)折疊包裝方法，通過分區(qū)隔離設(shè)計(jì)、有序管理繩網(wǎng)、鏈?zhǔn)椒獍鉀Q了網(wǎng)系空間穿透控制及有展開、非等長(zhǎng)控制繩牽拉及同步控制問題，確保了繩網(wǎng)的有序可控拉出展開。后續(xù)對(duì)于空間抓捕系統(tǒng)繩網(wǎng)要開展高精度動(dòng)力學(xué)建模方法研究，應(yīng)考慮繩網(wǎng)與網(wǎng)包、繩網(wǎng)間的摩擦力、空間環(huán)境對(duì)繩網(wǎng)應(yīng)力-應(yīng)變、阻尼特性的改變以及微重力等影響帶來的天地一體化差異等，進(jìn)一步掌握繩網(wǎng)拉出展開、捕獲能力，以滿足真實(shí)太空環(huán)境下長(zhǎng)期在軌使用的需求。