在軌服務中空間系繩的應用及發展

孟中杰，黃攀峰，魯迎波，胡永新

(1. 西北工業大學航天學院智能機器人研究中心，西安 710072;2. 西北工業大學航天飛行動力學技術國家級重點實驗室，西安 710072)

0 引 言

隨著人類航天事業的快速發展，在軌服務技術受到了廣泛關注。早期的在軌服務任務完全依賴宇航員出艙操作。20世紀80年代以來，以機械臂為代表的空間機器人使在軌服務技術跨入了一個新的時代。進入21世紀后，利用空間系繩的柔性、彈性、易擴展性等優點研發的空間繩系機器人、空間繩網機器人，具有操作距離遠、安全、靈活等諸多優勢，可廣泛應用于失控衛星捕獲與回收、軌道垃圾清理等在軌服務任務。

實際上，空間系繩并不是一個全新的概念，其最早可以追溯到19世紀Tsiolkovski[1]提出的“赤道通天塔的設想”，但在一開始，空間系繩的應用只是科學幻想而非現實。研究人員設想通過系繩旋轉產生人工重力或者是利用系繩制作空間電梯并用于軌道轉移等。在20世紀60年代，空間系繩的應用出現了轉折，在之后的幾十年內，以美、俄羅斯為代表的航天強國開展了多個空間系繩的在軌應用試驗，發表了許多關于空間系繩應用的研究成果。空間繩系機器人和空間繩網機器人的出現又進一步拓展了空間系繩的應用范圍，將空間系繩的研究推入一個新的高潮。

本文重點對空間繩系機器人、空間繩網機器人這兩種空間系繩新應用的研究進展進行綜述。首先簡單回顧了空間系繩的早期應用及驗證試驗，然后依次綜述了空間繩系機器人的研究進展、空間繩網機器人的研究進展，最后進行總結和展望。

1 空間系繩的早期應用研究與試驗

1.1 早期應用研究

1)人工重力

人工重力可為執行長時間航天任務的宇航員提供一種較為舒適的生活環境，而利用慣性離心力可以產生人工重力，這是空間系繩應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用的最初目的之一。其本質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電梯將貨物送入軌道，所運送的貨物在任意時刻均可與系繩分離進入軌道，且可以適應不同類型的軌道。

3)重力穩定

基于重力梯度的被動穩定控制可以避免對地定向過程中消耗推進劑。Chobotov[2]提出一種利用帶載荷柔性長系繩進行重力梯度穩定的方法，將航天器和穩定載荷間的距離擴展到數千米，很好地實現航天器的穩定控制。

4)軌道轉移

利用系繩的軌道轉移方法分為動量交換變軌和電動力繩變軌兩種。動量交換變軌是利用系繩連接的兩個航天器間的動量轉移，實現一個航天器升軌、一個航天器降軌。電動力繩變軌是通過帶電導線和地磁場的相互作用產生的洛倫茲力來實現，可以在不消耗推進劑的情況下實現航天器的軌道維持或轉移。截止目前為止，軌道轉移仍是空間系繩領域研究的熱點，被國內外學者廣泛關注。

5)系繩編隊

由于各種空間干擾的存在，衛星需要消耗大量燃料保持編隊構型。而利用系繩連接形成的系繩衛星編隊，可以通過系繩很好地保持衛星間的相對距離。特別是，特定構型的系繩編隊具有很好的自旋穩定性，可以節省編隊飛行所需的大量燃料。系繩編隊由于其獨特的優勢引起了國內外學者的廣泛關注，并日益成為系繩應用的一個重要方向。

1.2 空間試驗驗證

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

1966年9月12日，在美國“雙子座-11號”任務中，“雙子座”飛船和“阿金納”飛船通過系繩相連，并通過旋轉，首次產生了10-4g的人工重力加速度。同年11月11日，在“雙子座-12號”任務中，首次開展利用系繩的重力穩定試驗。這兩次試驗表明，空間系繩的動力學特性十分復雜。因此，在“阿波羅”登月計劃中未利用空間系繩，這也是導致系繩空間試驗停滯十多年的主要原因。

進入20世紀80年代后，研究人員對空間系繩試驗重燃興趣。美國、日本、加拿大等國利用系繩進行了大量試驗，例如系繩載荷試驗、合作高空火箭炮試驗、電離層等離子體電場分布測量試驗等。

1992年7月，美國和意大利合作開展了繩系衛星系統(TSS-1)試驗。該試驗主要針對系繩動力學、基于法拉第效應的電能產生等進行試驗研究。在試驗中，子衛星垂直向下釋放，在釋放268 m時發生故障，無法繼續展開。在TSS-1計劃失敗后，TSS-1R計劃于1996年再次啟動。在這次試驗中，系繩展開了19.7 km，產生了3500 V的電壓，證明了導電系繩在電能產生方面的巨大潛力。

1993年3月，美國開展了小型可擴展展開系統(SEDS-1)試驗。目的在于驗證利用系繩不消耗燃料實現載荷返回的能力。系繩展開過程比預想的快且順利，展開結束時相對速度達到7 m/s，導致了一系列的振蕩。系繩在預定時間切斷，載荷墜落到墨西哥海岸附近。1994年，同一個試驗小組進行了SEDS-2試驗，驗證反饋控制下系繩展開機構的效率。該試驗實現了系繩沿當地鉛垂方向的展開，展開后相對運動速度小于0.02 m/s，擺動幅度小于4°。

1996年，美國進行了系繩物理學與生存能力試驗(TiPS)，主要目的是研究空間系繩的可靠性和長期使用問題。該試驗計劃運行三年，但直至2006年，該系統仍然在軌道上良好運行。在TiPS試驗成功的基礎上，1998年，先進系繩試驗系統(ATEx)被送入軌道，主要驗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，美國通過在軌皮衛星自動發射平臺將一對由30 m系繩連接的皮衛星送入軌道，順利完成了MEMS的空間驗證。

2002年，歐空局提出了地球同步軌道清理機器人(ROGER)計劃，計劃通過系繩連接的手爪和網對失效衛星進行捕獲并移除。該計劃于2003年完成方案設計評審后即被終止，但其提出了系繩新的應用方式，啟發并引領了十幾年來的空間系繩研究。在一個新的軌道垃圾主動移除計劃中，利用了類似的概念，并于2018年9月16日初步在軌驗證了利用繩網捕獲模擬目標，2019年2月8日初步驗證了利用繩矛捕獲模擬目標。

2007年，俄羅斯和歐洲聯合進行青年工程師衛星-2(YES2)試驗，驗證利用系繩動態釋放方法實現在軌載荷返回的可行性。系繩順利展開至29 km，返回艙成功離軌，試驗衛星軌道高度抬升了1.3 km。

2009年，日本宇宙航空研究開發機構利用H-IIA火箭發射并試驗了KUKAI衛星系統，驗證利用系繩和擺桿控制子星姿態的可行性。由于故障，系繩僅展開幾厘米，試驗失敗。

2010年，日本和美國聯合完成了空間系繩試驗(T-REX)，首次成功驗證絕緣電動力繩收集空間電子的可行性，并驗證了預測小尺度空間系繩收集電子效率的相關理論。

2 空間繩系機器人

空間繩系機器人(見圖1、圖2)是由剛性的繩系機器人、空間系繩和空間平臺三部分組成的新型空間在軌捕獲工具[3-5]。由于其較遠的操作距離、大機動性與靈活性，空間繩系機器人(Tethered space robot，TSR)在空間在軌服務任務中極具發展前景，可廣泛應用于空間在軌維護、在軌加注、軌道機動和空間碎片清除等任務中。2019年2月8日在軌驗證的繩矛可以視為一種特殊的無自主機動能力的空間繩系機器人。空間繩系機器人的任務流程如圖3所示，可分為下述四個階段。

1)變軌/接近機動段。空間平臺通過一系列變軌/接近機動逼近至距目標星200 m處，為空間繩系機器人的釋放做準備。

2)逼近段。平臺釋放繩系機器人，機器人控制系統根據自主測量的目標星的位置、姿態等信息，利用自帶的推力器和系繩協調控制相對位置和姿態，確保以最佳抓捕狀態靠近目標。

3)抓捕及穩定段。繩系機器人抓捕目標衛星的帆板支架、星箭對接環等特定部位。在捕獲完成后，利用自帶的推力器和空間平臺上的系繩張力調節裝置共同作用，實現捕獲后組合體的快速穩定。

4)拖曳變軌段。利用空間平臺上的變軌推力器對組合體實施單端推力拖曳變軌，同時，利用系繩收放、張力控制等實現組合體的姿態穩定和目標星的姿態穩定，在達到期望軌道時，機器人釋放目標星，并回收至空間平臺。

本節從動力學特性分析、目標星相對狀態測量、逼近控制、抓捕及穩定、拖曳變軌五個方面綜述空間繩系機器人的研究進展。

2.1 動力學特性分析

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

在此基礎上，眾多的科研工作者對其動力學特性展開了大量研究。Mantri等[7]詳細分析了空間系繩在展開階段的動力學影響因素，Yu等[8]研究了J2攝動和熱效應作用下系統的動力學行為，同時還分析了J2攝動、熱效應、大氣阻力、太陽光壓、碎片撞擊和軌道偏心率等復雜外部環境下的系統非線性動力學特性[9]。He等[10]在推導空間繩系系統動力學模型的基礎上，計算了系繩展開和回收時的平衡狀態條件。Liu等[11]分析了帶有短系繩的太空拖船在離軌階段的動力學特性。俄羅斯繩系研究方面的著名學者Aslanov等在文獻[12-17]中也深入研究了利用空間拖船進行碎片清理時的動力學特性，考慮了太空拖船的推力作用、大氣擾動、重力梯度、空間碎片的動力學特性以及系繩振動和碎片振動的耦合關系等諸多因素。伊朗學者Soltani等[18]研究了一類空間繩系機器人系統的動力學特性及其軌跡跟蹤效果。

2.2 目標相對狀態測量

空間繩系機器人需要自主測量目標星與機器人的相對狀態信息，但受機器人小型化約束，繩系機器人的傳感器配置極為受限，這給相對狀態測量帶來了極大的挑戰。針對此問題，西北工業大學航天學院進行了深入研究[4-5]。

針對較遠距離階段目標跟蹤問題，Huang等[19]提出了一種基于單目視覺的特征點實時追蹤方法。針對中距離階段難以利用視覺傳感器精確解算出目標和機器人的距離問題，文獻[20-21]系統地提出一種基于角度導航的目標逼近策略。Huang等[22]設計了一種非完整視場下的目標測量方法，該方法可精確估計出機器人和目標間的位置和姿態信息。針對超近距階段相對位姿無法測量問題，Chen等[23]研究了對目標邊緣線的實時跟蹤問題，可利用點線不變特征，提取出非完整視場下的帆板支架邊緣信息;同時該研究團隊還提出一種非合作目標捕獲時的位置預測方法[24]，并基于結構化邊緣和超像素對比法優化了目標候選區域[25]。此外，蔡佳[26]也對空間繩系機器人的測量做了大量工作，特別是提出了一種基于梯度生長和灰度投影的圓形檢測算法[27-28]。該方法所需設置參數較少；通過適應區域的應用極大地減少了無用的距離計算和累加，同時提高了求解圓參數的精度，且不依賴目標的邊緣信息檢測。

2.3 目標逼近控制

由于姿態/軌道耦合、系繩彈性振動、推進器執行能力受限以及工作環境的復雜性等，空間繩系機器人逼近控制極為復雜。針對此難題，西北工業大學航天學院進行了大量深入研究。

孟中杰、黃攀峰等系統研究了目標星的逼近控制問題，針對不同階段、不同控制目的提出了不同的控制思路[4-5]。文獻[29-30]提出了一種基于速度增量的多目標逼近軌跡優化控制方法，利用機器人自帶推力器提供速度增量的方式進行軌跡規劃及優化。文獻[31-32]針對逼近段的燃料消耗問題，設計基于自適應偽譜法的最優控制器和協調控制方法，充分利用系繩張力，顯著降低燃料消耗。王東科等[33]設計了一種基于可移動系繩點的姿態協調控制機構，利用系繩同時實現姿態的協調控制；Wang等[34]還提出了一種新型逼近穩定控制策略，該控制方法同樣利用可移動系繩連接點，利用系繩張力和推力的協調控制，實現對目標星的逼近控制。而胡仄虹等[35]利用hp自適應偽譜算法和PD控制器構建了一種位姿耦合控制器，胡永新等[36]設計了一種基于超扭滑模動態逆控制方法，有效抑制各種外部擾動，控制系統具有較強的魯棒性。針對近距離逼近段視場不完整問題，孟中杰等[37]提出一種基于直線跟蹤的混合視覺伺服控制方法，利用帆板支架邊緣線圖像特征跟蹤相對位姿，同時利用基座具有較大誤差的量測信息保證控制系統的穩定性。

2.4 目標抓捕及穩定

在目標抓捕及穩定控制方面，西北工業大學航天學院同樣進行了大量深入研究[4-5]。

文獻[38-39]分析繩系機器人抓捕目標過程，并設計了一種抓捕過程的阻抗控制器，確保實現快速可靠抓捕。Zhang等[40]針對抓捕后組合體參數未知問題，研究了組合體的動力學特性，并在線辨識出組合體的慣性參數。充分考慮了系繩的柔性、彈性等因素影響，Huang等[41]設計了一種自適應控制方法，實現對未知參數組合體的姿態穩定控制。Lu等[42]設計了一種終端滑模控制方法來實現捕獲后繩系組合體的穩定控制，但其將系繩視為外部擾動，執行機構為機器人自帶的推力器，不能有效地降低燃料消耗。為降低抓捕后的燃料消耗問題，Huang等[43-44]提出了一種協調控制方法，文獻[45-46]還考慮機器人小型推力器無法滿足組合體姿態穩定需求因素，設計了一種自適應抗飽和穩定控制策略，該控制策略是由系繩張力和安裝在機器人上的推力器共同完成。針對以機械臂作為末端抓捕器的繩系機器人構型，Wang等[47]設計了一種目標捕獲后組合體的姿態協調穩定控制律，該控制律是由推力器、系繩張力裝置和空間機械臂來提供。此外，Huang等[48]還設計了一種自適應反步控制方法來實現組合體的穩定控制，其中，指令濾波用來限制系繩收放速率，反饋項用來解決推力飽和問題，自適應律項用來消除因參數不確定和外部擾動帶來的擾動效應。

2.5 拖曳變軌

在完成目標星捕獲與穩定后，需要將其拖離當前軌道，這稱為拖曳變軌，屬于目前熱門的“主動垃圾清理”研究。在利用空間繩系機器人進行拖曳變軌中，由于僅空間平臺具有控制能力，系繩扮演著一個至關重要的角色。

Zhao等[49]研究了恒定推力下系繩的擺動效應，得出擺動頻率、平衡位置均與繩長相關的結論。Zhao等[50]還研究了利用系繩進行拖曳過程中的推力控制策略，平臺變軌推力可始終沿著當地水平方向、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閉而帶來的不良影響，但是耗時較長，推進劑消耗也較大。Cho等[51]采用持續推力的變軌方式，提出以平臺推力為性能指標的最優變軌策略。在此基礎上，Meng等[52]設計了基于時間和推力綜合最優的變軌軌道。

針對拖曳過程的穩定控制問題，王秉亨[53]等提出需要著重研究其防碰撞、防纏繞、防擺動問題。針對防碰撞問題，Jasper等[54-55]采用了推力濾波技術使系繩張力平滑地順應變軌推力的變化，保證了兩端有足夠的安全距離，但該策略必須保證系繩預先張緊。Benvenuto等[56]以相對距離為反饋量設計空間平臺的額外推力控制律。Linskens等[57]則針對推力施加階段和推力關閉階段分別設計不同的相對距離制導律。Cleary等[58]提出基于波控制的平臺推力控制律，通過吸收系繩反彈所產生的能量來防止兩端的碰撞。王秉亨[53]提出一種利用系繩張力分配及跟蹤控制的方法，用較小的代價解決了防碰撞問題。針對防纏繞問題，Meng等[59]設計了一種基于super-twisting的被動振動抑制方法，降低系繩纏繞可能性。Wang等[60]設計了一種擺桿機構，僅利用系繩來實現拖曳過程中的欠驅動穩定控制。在此基礎上，利用更加簡單的線性滑桿[61]，并充分考慮執行器動態性能，設計了一種欠驅動穩定控制器，實現拖曳過程中的穩定控制，有效避免系繩纏繞。針對防擺動問題，Meng等[52]著重研究了系繩張力受限情況下的拖曳穩定控制難題，王秉亨等[62]提出了一種先優化系繩擺角指令，再設計欠驅動張力控制律的系繩收放擺動抑制策略。Meng等[63]還提出一種借助空間平臺變軌推力，依靠平臺姿態機動，通過系繩傳導，同時實現軌道跟蹤和系繩擺動抑制的新方法。

2.6 進展和挑戰

近年來，諸多學者針對空間繩系機器人操作任務各個階段的測量、動力學和控制問題展開了研究，并取得了一定的成果。但空間繩系機器人系統是一個高度耦合的復雜多體系統，且柔性系繩的存在，使得利用繩系機器人執行捕獲任務和完成捕獲后的控制極具挑戰性。尤其是在實際在軌服務任務中，若待捕獲的目標是自由翻滾的非合作目標或空間碎片，其對測量、逼近、捕獲、穩定控制等帶來的一系列挑戰值得深入研究，且抓捕碰撞過程中的精細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驗證手段缺乏，這也是制約當前空間繩系機器人研究及應用中的一個極大難題，需要廣大國內外學者迎接挑戰。

3 空間繩網機器人

與空間繩系機器人的“系繩+剛性操作工具”構型相比，空間繩網機器人將剛性操作裝置變為以繩索編織的柔性飛網，如圖4所示。雖然降低了末端操作能力，但通過將抓捕時的剛體-剛體形式改變為剛體-柔性體形式，將衛星某部位抓捕方式改變為整體抓捕，極大地提升了目標捕獲能力，尤其適用于非合作失穩目標的捕獲[64]。2018年9月16日初步在軌驗證的繩網就屬于空間繩網機器人。其目標捕獲流程與空間繩系機器人相似，但增加了釋放后飛網從折疊到展開的過程，本節主要從網型與結構設計、動力學模型、繩網控制三個方面綜述當前的主要研究進展。

3.1 網型與結構設計

空間繩網機器人的飛網展開是由執行機構的離心運動實現的，離心運動導致了飛網的非均勻預應力分布。為保證網的順利展開，整張網必須具有足夠的張力。網格的幾何拓撲決定網的預應力，預應力決定網面外角運動的剛度。在面外角上，網的剛度和旋轉會產生自身的振蕩。進而導致網性能降低。因此，網型和網格拓撲結構的相關研究和分析極為重要。在這方面，Tibert等[65]研究了網的最大允許垂跨比，同時，他們研究了三角形網格的動力學模型，并進行了數值仿真[66-67]。Schüerch等[68]改進了網的折疊方式設計，提出了一種能夠承受大剪切變形的四邊形網格結構。Kyser[69]分析了具有均勻預應力的網格幾何關系。此外，由于三角形、正方形和六角形是三種主要拓撲結構，許多研究人員通過比較三者之間的結構和應力，發現網子的平衡構型是由其應力分布決定的。而Cook[70]，Evers-man[71]和Guest[72]等學者發現特征頻率和自由振模式對其行波、平面外阻尼和軌道機動等其他現象影響明顯。網子的結構設計也是空間繩網機器人的研究重點。MacNeal[73]提出了空間網的結構設計標準。網的優化設計需要考慮質量、預應力性、可制造性、垂直于軌道面的剛度、特征頻率等。根據上述要求,在離心力作用下,帶有正方形網格的方形網是最佳選擇。

由于飛網需要預先折疊在空間平臺上并在發射后展開，因此，良好折疊方式設計至關重要。許多研究人員在完成網型設計的基礎上，根據柔性系繩的動力學行為探索了多種折疊方式。Scheel[74]設計了一個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]研究并設計了一種星形折疊模式，可以將網折疊到釋放子系統的中心輪轂處。

在空間繩網機器人的總體設計方面，Benvenuto[77]分析了繩網機器人工作的全過程，包括：繩網機器人由釋放系統彈射，飛網展開，并與分布于其角落的質量塊同步飛行，與目標碰撞，質量塊收口并捕獲目標。該團隊還研究并完成了繩網機器人的詳細設計，包括材料、尺寸和配置、網格尺寸和拓撲結構以及收口裝置系統等，并進行了拋物線飛行試驗,簡單驗證了釋放、彈射過程[78]。該團隊還設計了一種繩網和網槍發射裝置，旨在研究拖著四個質量塊的錐形或金字塔形的網[79]。該團隊還重點研究了網拋射動力學模擬器,并開展相關試驗驗證[80]。文獻[81-82]也詳細研究了空間繩網機器人的設計,包括彈射機制、網型配置和捕獲元件配置等。此外，Zhai等[83]還設計了繩網機器人的數據管理子系統、姿態/軌道控制子系統及目標跟蹤子系統等。

3.2 繩網動力學模型

飛網動力學問題一直是空間繩網機器人的研究熱點。在單繩建模的基礎上，學者們建立了不同復雜度的繩網機器人模型，例如：剛性模型[80-84]、質量彈簧模型[85-86]、絕對節點坐標公式模型[87]和三次B樣條曲線插值表面模型[88]等。

最常用也最簡單的是剛體模型，它將系繩視為剛體，將平臺和飛網視為質量點,模型簡單、容易推導,且可以更好地展示系繩的動力學。在此基礎上, Zhai等[89]研究了其在展開階段的性能,包括在圓形軌道上的自由和非自由運動及動力學，還研究了可能導致軌道高度變化的軌道動力學擾動問題。Liu等[84]對這一模型進行了簡單修改，將飛網視為四根系繩，并研究了該系統的軌道運動、主星的相對高度運動以及捕獲后重新入軌的動力學。彈簧模型能夠很好地反映繩網機器人的動力學,多用于描述四邊形網。Benvenuto等[85]討論了繩網機器人在目標捕獲和清除階段可能出現的問題，并對碰撞檢測、接觸動力學和回收中的系繩張力控制進行了研究。Botta等[86]推導了考慮渦旋的飛網的質量彈簧模型，還著重研究并分析了飛網的展開動力學[90]。絕對節點坐標模型可以更好地描述網的彈性，特別是反映網上兩個節點之間的彈性。Shan等[87]推導了空間繩網機器人的絕對節點坐標模型,并在數值模擬的基礎上與傳統的質量彈簧模型進行了比較。結果表明，絕對節點坐標模型能夠描述網的柔性,但計算成本較高。此外，Shan等[91]利用拋物線飛行試驗對飛網的展開建模方法進行了驗證。

近年來，空間繩網機器人與目標星的接觸動力學受到了越來越多的關注。Benvenuto及其團隊研究了接觸過程的各個方面,包括網和繩的建模、碎片建模、碰撞檢測、接觸動力學、收口機制等[85]。該團隊還改進了接觸模型，用非線性連續順應模型代替了傳統的線性赫茲定律[92]。Botta等[93]利用一種修正的接觸力線性連續模型和摩擦模型研究繩網機器人的接觸動力學。該團隊還引入了微滑移摩擦模型,并將該模型應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 繩網控制方法

由于繩網機器人在釋放后幾乎處于無控狀態，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]通過試驗和仿真研究了繩網捕獲系統的釋放方案，Zhai等[81]提出了一種通過系繩張力補償誤差的控制方法，王班等[96]提出了一種采用超聲波電機作為驅動源的飛網自適應收口機構的設計及實現方法。Sharf等[97]研究了用于繩網清除的目標碎片封閉系統設計和試驗。王曉慧等[98]從捕獲任務層面出發，建立了面向捕獲容錯的飛網參數優化模型，并求解得到了飛網的最優設計參數。

西北工業大學航天學院黃攀峰團隊對空間繩網機器人進行改進，提出一種可機動空間繩網機器人的概念[99-101],如圖5所示。該機器人由一張飛網和位于網角的可機動單元組成。機動單元的運行會導致飛網的不對稱，從而產生極為復雜的振動。由于網角的剛性可機動單元和大型的柔性飛網,其飛行控制問題十分復雜。張帆等[101-102]研究了機動飛網機器人的釋放動力學和穩定性，考慮系繩彈性和空間環境的不確定性,采用二階滑模控制方法對機器人進行了控制。同時，該團隊還分別對對稱構型和非對稱構型進行了分析[103],提出了一種改進的自適應超扭滑模控制方案。在此基礎上，又提出一種改進自適應超扭滑模控制律，對繩網的振動進行抑制[104]。該團隊還利用機動單元的控制能力，研究了飛網展開階段的耦合動力學建模和形狀保持難題[103-107]。同時,孟中杰等[100]還利用約束反力推導了一種新的繩網機器人動力學模型,并提出了動力學反演和滑模控制的雙環控制方案。此外，該團隊還研究了基于編隊的空間飛網運動學和動力學[108],利用擴展的Hamilton原理推導了動力學模型，并將其逆動力學轉化為雙級優化問題，并研究了利用機動單元的飛網收口控制[109]，捕獲時的碰撞及其穩定控制等[110]。

3.4 進展與挑戰

近年來,利用空間繩網機器人主動移除被認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。由于繩網機器人在軌道捕獲中使用特殊的投擲展開方式，且系繩相對較短，使得平臺衛星和飛網的耦合明顯。而機動繩網機器人通過多單元協同機動的方式實現網型維持和機動飛行，帶來了很多更加復雜的一致性控制問題，值得深入研究。

4 結 論

由于柔性系繩在空間在軌服務中的潛在應用，針對空間系繩的研究近年來成為一個研究熱點，已涌現出大量的研究成果。本綜述首先介紹了空間系繩的早期應用與在軌試驗，然后依次介紹了空間繩系機器人、空間繩網機器人兩種新型的系繩在軌應用的研究與發展情況。然而，目前仍有許多關鍵問題亟待解決。例如：受場地、環境等條件限制，大部分的研究均是通過數值仿真校驗，少量具有試驗驗證的研究也僅涉及某個特定的單或多自由度，未證明其天地一致性問題。此外，空間系繩的材料、編織方式等也是后續應關注的重點問題，隨著空間技術的不斷發展，系繩由于其獨特優勢，將在越來越多的任務場景中發揮作用。期待在不久的將來，空間系繩給人類的太空探索和開發帶來越來越多的革命性變化。