空間非合作目標物柔性捕獲技術進展

郭吉豐，王 班,2，譚春林，劉永健，孫國鵬

(1. 浙江大學電氣工程學院，杭州 310027；2. 杭州電子科技大學機械工程學院，杭州 310018；3. 北京空間飛行器設計總體部，北京 100094)

0 引 言

在軌服務系統的目標航天器一般分為合作目標和非合作目標。合作目標經過特殊設計具有與服務航天器相適應的結構組件、信標或對接機構，而非合作目標則與服務航天器間無相應適配機制，如空間碎片、廢棄衛星以及敵方衛星等均屬于此類?？臻g非合作目標在軌服務技術實現難度要遠大于合作目標的實現難度，然而，目前大多數的客戶系統均為未經過特殊設計的，因而非合作目標在軌服務技術是亟待解決的難題，而非合作目標物的捕獲技術則是實現在軌服務的重要前提之一。

空間機器人技術的逐漸成熟使得剛性捕獲方式更早地投入實際航天工程運用[1-3]，如美國的軌道快車(Orbital Express)計劃[4]，加拿大的空間機械臂系統(SRMS)[5]，歐洲宇航局的歐洲機械臂系統ERA[6]，日本的JEMRMS(Japanese Experimental Module Remote Manipulator System)機械臂系統[7]與ETS-Ⅶ[8]，德國的機器人技術試驗ROTEX(Roboter Technology Experiment)項目[9]等。上述任務系統均以剛性機械臂作為捕獲執行機構，捕獲距離受限，且需在捕獲機構上安裝距離、力/力矩、觸覺等傳感器以保證對接碰撞過程的安全，特別是在空間懸浮狀態下多剛體機械臂捕獲目標物后質心、轉動慣量等系統參數易發生改變以及目標物自旋給系統控制帶來較大困難，對空間非合作目標捕獲難以奏效。柔性捕獲概念是近年提出的，以網或布等柔性結構覆蓋包裹目標物或通過機械手抓取目標物后通過柔性連接物(如繩索)與任務航天器形成可靠連接的組合體，是近年來空間研究的熱點之一[10]。國外多家知名航空機構都早有布局，對空間非合作目標物的柔性捕獲進行過相關研究[11-13]。國內相關研究院所及高校也對柔性捕獲技術進行了大量的研究，取得了一定研究成果?？臻g柔性捕獲技術涉及到力學、機械、電氣、控制及材料等多個學科，在總體方案設計、動力學分析及控制系統設計等多個方面都存在較多的科學問題需要研究，國內尚未有文獻對空間非合作目標物柔性捕獲中的相關關鍵技術進行綜述與分析。本文對空間非合作目標物捕獲過程中涉及到的捕獲方式、消旋技術、系繩模型及系繩控制機構等技術進展進行分析與討論，最后給出了一些具體建議。

1 空間非合作目標物柔性捕獲方式

空間柔性捕獲技術的柔性一般體現為末端捕獲裝置的柔性(如繩網、口袋等)，也可體現為捕獲后目標物與任務平臺之間的柔性連接(如飛爪等繩系捕獲)。根據捕獲執行機構的不同，柔性捕獲一般可分為繩網捕獲、飛爪捕獲及柔性口袋捕獲等。

1.1 繩網捕獲

空間繩網捕獲是在空間展開一張大面積的繩網對空間目標物進行捕獲的技術，是空間柔性捕獲中較為成熟的技術之一。繩網的展開有多種方式，如拋射展開、旋轉展開、自主機動展開及支撐展開等。

1.1.1拋射展開

空間繩網拋射是空間繩網捕獲技術中最為廣泛展開方式[14-16]，具有原理簡單、展開迅速等優點，但同時繩網保形時間較短，適用于空間非合作目標物的快速捕獲[17]。

2002年，歐洲航天局ESA (European Space Agency)提出了地球同步軌道清理機器人ROGER項目[11]。ROGER機器人捕獲過程如圖1所示，ROGER被發射進入地球同步轉移軌道GTO (Geostationary Transfer Orbit)后與運載火箭分離，然后在遠地點點火機動至地球同步軌道GEO (Geosynchronous Earth Orbit)附近，并經過多次軌道機動與目標物進行交會，當ROGER和非合作目標物距離在捕獲范圍內時向非合作目標物發射繩網，繩網在發射過程中完全展開并將非合作目標物完全包裹、鎖緊而完成捕獲，ROGER再次點火機動將繩系組合體拖曳至更高的墳墓軌道并切斷系繩，而后ROGER返回GEO，準備下一次捕獲任務。ROGER項目利用發射器將4個質量為1 kg的質量塊發射，將繩網拉出、展開，屬于典型的拋射展開。該項目在2003年完成方案評審后未見后續公開報道，直至2014年，ESA在巴黎又發布了一份聲明，稱其在“清潔太空行動(Clean Space Initiative)”中正在研究的“脫軌”任務(DeOrbit Mission)將致力于清除和收集軌道垃圾以減少航天產業給地球和太空帶來的環境沖擊，對諸如拋射網、夾緊機構和魚叉在內的多種捕獲裝置進行研究，此項目可看作是ROGER項目的延續。2015年，ESA在獵鷹20拋物線飛機模擬的失重環境中進行了繩網捕獲系統的縮比試驗[18]，該試驗主要驗證所設計的仿真工具的有效性，為將來設計真實尺寸的繩網捕獲系統奠定基礎。

圖1 ROGER空間繩網捕獲過程概念圖

2006年開始，我國也立項對空間繩網捕獲技術開展相關研究，捕獲系統由任務平臺、系繩收放裝置、系繩、繩網和若干收口質量塊等組成[19]。在捕獲動作進行的前期，任務平臺調整到與目標物較近距離(百米級)，通過發射器將柔性繩網發射，拋射的質量塊牽引展開繩網，使其快速接近目標物，當目標物完全落入繩網內后，收口質量塊動作，將網口收緊鎖死，而后系繩收放裝置根據要求對目標物進行回收、釋放及拖曳，并通過任務平臺的軌道調整使二者進入預定的廢棄軌道。此項目在繩網發射技術、柔性繩網形狀及折疊方式、繩網收口質量塊技術、系繩收放裝置技術以及繩網展開、收口及捕獲后繩系組合體的動力學分析及控制等理論方面，取得了一定的研究成果[20-23]，為后續空間試驗驗證奠定了堅實基礎。

1.1.2旋轉展開

旋轉展開是利用旋轉離心力展開空間繩網，采用合適的控制策略對展開后的繩網進行保形控制。這種展開方式可以克服直接拋射展開方式中容易出現的繩網纏繞以及繩網保形時間短等問題，使得繩網展開穩定性有所提高。

2009年美國恒星公司提出了一種依靠電動力推進的自主捕獲航天器——電動碎片清除裝置EDDE[12]。該裝置原理如圖2所示，主要由一根長導線、太陽能電池板、電子收集發射器和2個用于發射輕質繩網的繩網管理器組成，其攜帶的繩網用來包裹和捕獲太空垃圾。每個繩網管理器系統大約配備100個重約50 g的Kevlar繩網，繩網通過EDDE的旋轉力展開，當目標物被捕獲后，即使目標物的旋轉、翻滾速度超過1 rpm，EDDE也能很快將目標物的運動衰減下來。恒星公司計劃向太空發射12架EDDE航天器，可捕獲當前漂浮在近地軌道的所有超過2 kg的2465個可識別目標。

圖2 電動力繩系捕獲EDDE原理圖

2012年3月，英國的思克萊德大學、格拉斯哥大學聯合瑞典皇家理工學院在瑞典發射基地ESRANGE進行一項名為Suainead的試驗，旨在對空間旋轉繩網展開進行技術驗證[24]。旋轉繩網系統從火箭錐部的發射筒進行彈射發射，系統發射時處于旋轉運動狀態，并使用特定的旋轉反作用飛輪進行系統旋轉主動控制。當系統達到穩定旋轉狀態時，釋放一個2 m×2 m的方形繩網，利用繩網角上連接的質量塊旋轉產生的離心力帶動繩網的展開，該試驗證明了通過旋轉實現空間繩網展開的可行性。

1.1.3自主機動展開

前述拋射展開及旋轉展開式繩網系統中，質量塊都不具有自主機動功能，主要依靠質量塊發射時的平動速度或者系統旋轉速度將繩網展開，其優點是結構簡單、易于工程實現，但同時也存在諸如捕獲距離短、機動性差等問題，而自主機動展開就是通過若干具有自主機動功能的質量塊或者微小衛星進行空間編隊飛行，通過編隊構形的變化實現繩網的展開。

2001年，日本東京大學提出了Furoshiki項目概念[25]，該系統由四顆角衛星及其連接的巨大柔性膜(繩網、太陽能薄膜或者空間大型天線)組成，如圖3所示，利用四顆角衛星將柔性膜展開，可在空間展開高達數千米的巨型平面結構。根據柔性膜的不同(繩網、太陽膜和天線)，Furoshiki可分別應用于空間大型目標捕獲、空間太陽能發電和輔助通訊等方面。當其連接繩網進行空間捕獲時，系統復雜，成本較高，適合抓捕高價值的大型重要目標。

圖3 Furoshiki項目示意圖

2013年，西北工業大學的馬駿等[26]針對現有繩網捕獲系統任務距離和目標多樣性方面的不足，提出了一種新型的“任務平臺+連接系繩+繩網+自主機動單元”結構的空間繩網機器人系統，如圖4所示，這種自主機動單元編隊捕獲方式克服了傳統空間繩網捕獲機器人在操作性和機動能力方面的不足，但此種新型繩網捕獲系統仍然需要利用系繩將任務平臺與繩網系統進行連接，系統設計相對復雜。

圖4 新型空間繩網捕獲機器人

針對傳統繩網捕獲系統存在的發射要求高、捕獲距離短及機動性差等問題，浙江大學王班等[27]于2016年提出一種基于可重組繩系編隊飛行的自主機動空間繩網捕獲系統的概念。此繩網捕獲系統采用四個具有彈射分離與對接組合功能的微衛星，結合收口繩進行空間編隊飛行，通過編隊構形的變化并結合系繩收放控制實現繩網的展開、保持與收縮等操作?？芍貥嬂K系編隊方式突破了傳統繩系編隊飛行系統編隊前后各飛行器的同步性難題。

1.1.4支撐展開

支撐展開式繩網系統是利用剛性支撐件將繩網展開，由于發射過程對繩網載荷有體積要求，所以需要利用可壓縮式支撐件展開繩網，如充氣式或薄壁伸縮臂展開。

2004年，美國TUI(Tethers Unlimited, Inc.)公司成功開發了應用于空間非合作目標捕獲的GRASP(Grapple, Retrieve, And Secure Payload)技術，通過對充氣軟管充氣可控地展開一張柔性網對目標物進行包裹、抓捕。為了驗證所設計的充氣管式末端繩網捕獲機構的實用性與有效性，TUI于2014年在拋物線飛機的零重力環境下進行了模擬捕獲試驗，捕獲效果良好[28]。

1.2 繩爪捕獲系統

上述ROGER捕獲系統的另一種抓捕方法是繩爪(Tether-gripper mechanism, TGM)捕獲方式，繩爪末端與系繩連接，并可自由飛行，TGM帶有冷氣推進系統，每個推進器可提供1 N的推進力，并帶有兩個立體攝像機和一個激光測距儀，在TGM的上平臺頂部安裝有一個三指飛爪，用于抓捕目標物，通過平臺上的卷繞電機收放系繩實現飛爪控制[11]。

2006年，日本宇宙航空開發機構JAXA(Japan Aerospace Exploration Agency)提出的一種利用電動繩系進行低軌廢棄物清理的設想SDMR(Space Debris Micro-Remover)項目[29-30]。如圖5所示，SDMR其工作過程為：捕獲機器人首先機動與目標物完成交會并對目標物的運動情況進行偵查、測量，然后經過繞飛后完成與目標物的最終接近并通過可伸展捕獲爪捕獲目標物，捕獲目標物后釋放電動力系繩，此系繩與捕獲爪根部相連，最后通過機器人的噴氣推力與系繩電動力完成組合體的軌道轉移。

圖5 日本SDMR項目示意圖

2009年，西北工業大學的胡仄虹等[31]提出了一種“空間平臺+空間系繩+操作機器人”的繩爪式空間繩系捕獲機器人，操作機器人上自帶操作機械臂及末端操作爪用于執行捕獲目標衛星及在軌服務任務。如圖6所示，空間系繩固連在操作機器人底部中心部位，另一端與空間平臺連接，抓捕目標時，相機進入測量盲區接近并引導操作機器人靠近目標，并將其鎖緊限制于某一范圍內實現防止目標逃逸。此種繩爪式捕獲方式具有操作半徑大、靈活性強的特點，且繼承了空間機械臂良好的操作功能。

圖6 繩爪式空間繩系捕獲機器人

1.3 口袋式捕獲系統

2012年，美國國家航空航天局NASA (National Aeronautics and Space Administration)提出了小行星捕獲ARM項目[13]。項目方案A采用口袋式抓捕方案，發射火箭將ARM航天器發送到407 km的近地軌道后實現分離并將航天器展開，經過2.2年后ARM轉移到月球軌道，然后利用太陽能電推進系統和月球引力來脫離地月引力系統，再經1.7年到達目標小行星軌道后，通過柔性捕獲布袋(如圖7所示)抓捕小行星。為了達到消旋目的，探測器首先將和小行星的旋轉速度匹配，利用口袋式捕獲系統將其捕獲，確保小行星穩固在探測器中，然后利用推進系統將探測器和小行星的組合體整體消旋，最后系統離開小行星軌道返回到月球軌道。

圖7 ARM口袋式捕獲系統

綜上可知，柔性捕獲尚處于概念設計、原理驗證和少量空間試驗驗證階段，在總體方案設計、動力學分析和控制系統設計等方面都存在著復雜的問題需要研究，距離實際工程化應用尚有一段路要走。相比較而言，繩網及繩爪式繩系捕獲技術在理論分析、樣機研制及空間試驗方面都積累了一定的基礎，是未來行之有效、可工程實現的柔性捕獲方式之一。

2 空間非合作目標物消旋技術

空間非合作目標(失控衛星、空間垃圾等)在空間攝動力作用下大多處于高速旋轉狀態，旋轉軸存在長期章動，對空間非合作目標采取措施實現大幅消旋是非合作目標成功捕獲的前提條件。根據消旋力/力矩是否與非合作目標接觸，空間非合作目標消旋方法可以分為接觸式和非接觸式消旋。非接觸式采用羽流沖擊[32]、靜電力[33]、電磁力[34]、激光[35]等非接觸力對目標進行消旋可以有效減少碰撞風險，在安全距離外作業消除目標的三軸轉速。一般來講非接觸式消旋提供的消旋力/力矩較小，且在軌具體實現難度大，目前多處于概念設計階段。消旋力/力矩與目標物之間直接接觸的接觸式消旋，可提供較大的消旋力矩，適用于質量較大目標物的快速消旋，主要包含摩擦力消旋、機械臂控制消旋、柔性系繩消旋、觸須粘附式和折疊桿件式等消旋方案。

2001年，日本國家航空航天實驗室NAL (National Aerospace Laboratory of Japan)的Kawamoto等[36]提出了利用多次接觸式脈沖力交替衰減目標章動角和自旋轉速的方法，最終完全衰減了目標物的3軸轉動速度，給出了脈沖次數的優化過程。2007年，日本名古屋大學的Yoshikawa和Yamada[37]針對空間機械臂捕獲機構，提出了使用機械臂通過接觸點對旋轉非合作目標物施加脈動推力的方式實現目標物的消旋方案。機械臂控制消旋方式模型相對精確，消旋效率較高，但也存在碰撞風險大，控制較復雜等缺點。

2011年，日本JAXA的Nishida等[30]在研究使用電動力繩系機器人捕獲空間非合作目標物時，提出了利用末端執行機構攜帶的柔性刷，通過控制柔性刷與目標物的摩擦力大小對旋轉較快(3～30(°)/s)的目標物進行消旋控制[30]。柔性刷摩擦消旋是一種在抓捕前對目標進行消旋的方法，帶來的沖擊相對較小，有利于后續的捕獲操作。其他諸如半球殼摩擦消旋[38]及利用抓捕機構旋轉摩擦轉矩消旋[39]等都屬于摩擦消旋的方式。但這類消旋方法實施前需要服務航天器進行復雜的變軌繞飛，接近停靠在距目標非常近的位置處。

2012年，美國的Levin等[40]針對電動力繩系飛網捕獲系統EDDE，提出了利用繩網與非合作目標物的多牽掛點消旋方法，通過控制牽掛于目標物的兩條系繩張力對旋轉目標物進行消旋。此種消旋方式對目標物的形狀以及繩網與目標物的牽掛點要求較高。

其他還有諸如觸須粘附式消旋及折疊桿件消旋等消旋方式，按消旋作業與捕獲作業是否同一機構及其作業特點將接觸式消旋簡單歸納如表1所示。能同時滿足消旋+捕獲或消旋+離軌的一步式消旋方法更具前景，可以將一個空間碎片主動移除任務多個環節進行簡化，減輕任務有效載荷。

表1 各類接觸式消旋方法的特點

3 空間柔性系繩模型及其控制裝置

3.1 空間系繩模型

系繩具有重量輕、阻尼小、抗拉強度高、柔軟性好、大尺度及易卷取等特征，其在空間具有很大的應用優勢。從太空環境的特殊性以及捕獲任務出發，對系繩有多方面的要求：強度高、耐高(低)溫、質量輕和柔軟性好等，常選擇綜合性能好的芳香族聚胺纖維作為系繩的材料，其典型代表為Kevlar和Taron材料。系繩具有復雜的動力學特性，其動力學特性不僅在微觀上與材料本身的分子機構有關，宏觀上與系繩的纏繞編制方式等也有很大的關系，一般很難建立能完全表現系繩特性的精確模型。在進行空間系繩系統動力學分析時，一般根據實際情況，采用各種簡化的模型對系繩進行描述，已有不少文獻對系繩模型進行了總結與比較[41-42]。應用比較多的系繩簡化模型一般可分為5種。

1)輕質剛體模型。不計系繩質量，不計系繩彈性，將系繩等效成一根只能受拉而不能受壓的一維輕質剛性桿[43-44]，當將系繩兩端所連接的航天器也作為質點考慮，此時整個繩系系統模型被稱之為“啞鈴模型”，是空間繩系系統中最簡單的模型。此種模型主要專注于系統的質心運動，此時系繩對其連接的兩個航天器起著位置約束的作用。這種模型建立的系統方程相對簡單，有利于降低控制器設計的難度和提高計算效率，又能描述系統的姿態運動，有利于直觀理解空間繩系系統的概念。

2)輕質彈性體模型。不計系繩質量，計入系繩彈性或者系繩彈性與阻尼，將系繩等效成不可壓縮彈性桿模型對系繩進行建模[45]，并可根據情況考慮系繩阻尼特性[46]。系繩粘彈性材料本構關系通常采用線性KElvin-Voigt模型[47]：

式中：N代表系繩張力大小，E代表系繩彈性模量，A代表系繩橫截面積，α表示阻尼系數，ε表示系繩應變。系繩一般由多根復合材料纖維編織而成，當它在受壓時，由于各根纖維的抗壓能力都非常低，繩索整體只表現出很小的剛度，當它受微小的拉力作用時，由于各根纖維都具有一定的松弛余量，繩索整體的剛度依然非常小；只有當拉力比較大時，繩索中的纖維才會被拉緊，從而表現出非常大的剛度特性，可根據系繩存在的非線性應力—應變特性，可對上述線性Kelvin-Voigt模型加以改進[31]。

系繩本身除了存在非線性彈性特性外，其應力—應變曲線還存在遲滯特性，即縱向拉伸時，加載與減載過程曲線不重合。趙國偉等[48]在研究柔性繩索體展開過程時，為了描述系繩的靜態遲滯特性，引入了Kawabata拉伸張力—應變模型。易琳等[49]借鑒用于描述機械、土木、地震和材料工程中的Bouc-Wen遲滯模型，建立了能夠靈活控制遲滯環形狀的推廣Bouc-Wen模型以描述Kevlar系繩高度非對稱的遲滯現象，并提出了模型參數分步識別方法。

3)集中質量剛體模型。此種模型將系繩離散成一系列與無質量直桿相連的質點[50]。直桿與質點之間通過活動鉸鏈連接，因此可以自由轉動，以此來模擬系繩的柔性，建模時將系繩所受外力集中施加在節點上，根據系繩線密度通過集中質量法確定節點質量。模型中離散單元的數目可變，通過僅改變離系繩收放點最近的單元的屬性(如長度、質量)，并于適當的時候(當最前端單元的長度超過或低于預先給定的閥值時)在離散單元鏈的最前端加入或移除一個單元來模擬系繩的收放過程。

4)集中質量彈性體模型。此種模型在實際應用中最為廣泛，既考慮了系繩質量又考慮了系繩彈性，能相對比較全面的表現系繩特性且模型不復雜，方便編程計算與仿真。應用比較多的是將系繩離散成一系列與彈簧、阻尼相連接的質點，系繩所受其他外力都作用在各質點上[51]。根據實際情況也可不考慮系繩阻尼，即將系繩離散成一系列與彈簧相連接的質點[52]。

5)連續彈性體模型?？紤]系繩位形與連續質量，一般是利用微元法，取系繩微元進行分析[53-55]，其中以Modi與Misra[53]所提出的模型最具代表意義。該模型考慮了系繩質量、空間位形以及系繩與末端的連接點的偏置問題，所得的模型代數/偏微分方程相當復雜，基本無法求出其解，只能通過數值計算進行研究。

上述系繩等效模型是研究者針對不同的研究背景及不同的側重點對空間系繩所抽象出的等效特征。在空間繩系系統研究的早期，研究的重點是凸顯空間繩系系統的基本物理現象和物理規律，進行了大量的假設，一般將系繩等效成剛性桿(模型1)，這樣的假設有利于快速對空間繩系系統構成基本的認識。在基本的物理現象得到闡述與認識之后，研究的重點轉移到系統更為精細的物理現象，如系統的縱向振動等，此時一般需要將系繩彈性考慮進去，將系繩等效為無質量的彈性桿(模型2)。當系繩本身質量較大時，還會引起空間繩系系統的橫向振動及跳繩運動等，這時系繩分布質量特性必須要考慮到模型中去，將系繩離散成細小的系繩單元，系繩單元的質量被考慮為質點，整個系繩被等效成由剛性桿連接的質點(模型3)或者由彈簧、阻尼連接的質點(模型4)。而利用微元法，考慮系繩位形和質量(模型5)，建立的系統模型則將更加精細。針對不同的研究背景可以根據實際情況對系繩模型進行選擇與改進。初步試驗發現，Kevlar系繩存在著諸如剛度非線性、塑性變形、蠕變以及遲滯效應等非線性特性，詳細研究系繩的此類非線性現象并將其考慮到系繩模型中對繩系組合體的動力學分析及控制系統設計具有重大意義。

3.2 系繩控制裝置

3.2.1系繩長度控制

主要進行系繩長度或速率控制，對系繩張力沒有要求，這類系繩控制機構相對簡單，一般使用動力部件驅動卷筒即可實現功能要求。

南京航空航天大學的文浩[56]在基于氣浮裝置的繩系衛星地面模擬實驗中設計了一種簡單的系繩卷取機構，主要包括基座、卷線軸、電機(集成編碼器)和電機驅動器，可實現短距離的繩長控制。此機構具有一定的擴展性，可通過在出繩口處加裝張力傳感器實現系繩的張力閉環控制。由于是用于地面氣浮平臺實驗，因此此機構卷取的系繩長度有限。

在前述ROGER繩網捕獲及其他類似的繩網捕獲裝置中，在繩網與目標物完成交會、接觸后需要通過收口機構卷取收口繩將網口收攏、鎖死而完成任務平臺與目標物的可靠連接。ROGER項目中的電收口機構主要由驅動電機、卷繩筒、供電電池和微開關等組成，當繩網捕獲到目標物后，傳感器觸發開關，通過驅動電機帶動卷繩筒旋轉實現系繩的可控卷取。ROGER的最大繩網尺寸為15 m×15 m，此種情況下收口繩總長為60 m左右，因此此收口機構是一種短距離系繩收放機構，并具有控制靈活、便于實現自主觸發關停、測距和遙控等智能操作[11]。國防科技大學的陳欽[57]提出了使用彈簧儲能的機械式繩網收口機構，機構中有機械式鎖死機構，使得系繩卷入收口機構中就不能被拉出，即只能單向回收。此機械式收口機構結構簡單、成本低，但因儲能少而不利于長距離卷取，也不利于重復使用。浙江大學的易琳等[58]針對繩網收口，設計了電驅動式的自適應收口質量塊，此機構借鑒了雙轉子電機結構的思路，即定子和轉子都自由轉動，可分別帶動兩卷筒對兩根系繩進行卷取。當兩根收口繩長度不一樣時，收口質量塊也能完成收口任務，具有較強的自適應功能。

3.2.2系繩張力控制機構

此類機構一般在進行系繩卷取的同時還要進行系繩張力控制。張力控制可采用張力傳感器實時檢測系繩張力，通過控制驅動電機對張力進行閉環控制，也可以通過單獨的張力控制模塊對系繩張力進行控制。

日本東京工業大學的Mori等[59]在研究使用繩系衛星編隊飛行展開薄膜時，提出了一種系繩張力閉環控制機構。該機構用兩個電機分別控制機構內部和外部的系繩張力，機構還采用了3個張力傳感器以測量不同系繩段上的張力，如圖8所示。卷筒上安裝有排線裝置，可以使得系繩在卷筒上均勻排布，排線裝置的動力由固連在卷筒上的皮帶輪通過皮帶提供。

圖8 東京工業大學研制的張力控制機構

美國麻省理工大學的Chung等[60]針對NASA宇宙演化的亞毫米探測結構任務，改進了前述用來探測宇宙早期亞毫米波長電磁波的繩系干涉儀航天器SPHERES，加裝了如圖9所示的系繩張力控制機構。此系繩控制機構主要包括超聲發射器、導繩環、6自由度力傳感器、導線輪、傳動主軸、驅動電機和卷繩筒等組件。驅動電機控制系繩卷取，超聲波收發器完成航天器相對位置測量，6自由度張力傳感器既能夠測量系繩張力的大小，又能根據系繩張力在各坐標軸上的分量計算出系繩姿態入角[60]，實現了系繩姿態入角的無接觸式測量。

浙江大學的王班等[61]提出了一種多功能、高效能的張力控制機構。通過論證空間繩系組合體可能存在的多種運動現象，對機構提出了系繩姿態角、繩長及張力等方面的功能需求，據此研制了如圖10所示的張力控制機構樣機，并分析討論了張力控制機構的張力跟蹤等各類靜、動態性能。

圖9 麻省理工大學研制的張力控制機構

圖10 浙江大學研制的張力控制機構

前述幾種空間系繩張力控制機構都是通過控制卷繞電機實現張力閉環控制的，也可通過獨立的張力控制模塊對張力實現單獨控制，比較常用的是“螺旋軸”張力控制方式，通過調節系繩釋放時的摩擦力來實現系繩張力的單獨控制。在軌繩系衛星項目如YES系列項目及SEDS系列項目等都采取了這種“螺旋軸”方式實現系繩張力控制。以YES-2項目中的系繩釋放機構為例[62]，其原理如圖11所示，系繩從儲繩筒出來后，螺旋纏繞于一軸上，此軸由伺服電機驅動，伺服電機配合蝸輪蝸桿帶動旋轉軸旋轉可改變系繩繞在軸上的圈數從而改變系繩張力。

圖11 螺旋軸式張力控制機構

系繩控制機構作為空間繩系系統系繩控制的重要執行機構，其性能好壞對空間繩系系統的成敗有重大影響。結合前面的分析以及使用要求，未來在設計、研制針對空間一般性場合的系繩控制機構時在排線機構設計及先進控制策略應用方面需重點關注。

4 結 論

對比分析幾種空間柔性捕獲技術可知，針對繩網及繩爪式繩系捕獲技術，國內外在理論分析、樣機研制及空間試驗方面都積累了一定的基礎，是未來行之有效、可工程實現的柔性捕獲方式之一，是在軌捕獲技術未來發展的一個新方向。針對空間繩系捕獲技術，以下幾個關鍵技術需要重點解決。

1)捕獲前的目標物各類參數識別技術

在非合作目標物捕獲及控制任務過程中，由于目標慣性參數未知，因此需要辨識其質量等慣性參數，以實現精確控制。為了使姿態軌道控制系統做出精準的控制策略，保證航天器正常在軌運行，需要首先對所抓捕的空間非合作目標的慣性參數進行快速準確辨識。目標的運行狀態、目標的表面材料、分離目標本體和帆板的信號、目標的姿態信息等都需要在捕獲前加以識別。

2)空間繩系捕獲系統大尺度系繩精確建模

空間系繩(如Kevlar系繩等)自身具有粘彈性、塑性變形等非線性特性，且當系繩較長(大尺度)時，還會呈現變阻尼和遲滯特性等，其特性如何描述和識別，空間繩系組合體如何活用此特性進行防沖擊、翻滾等，都是亟待解決的問題。

3)捕獲后的空間柔性組合體穩定控制策略

空間繩系組合體的沖擊、擺動及旋轉等運動形式是相互耦合的，一種運動的抑制可能激發其他類運動。另一方面，要兼顧幾類運動的有效抑制，使組合體穩定控制過程的拖曳策略具有容錯性、自適應性和安全性。

4)地面試驗驗證技術

對空間繩系捕獲系統進行地面仿真試驗，可以校驗理論結果是否正確，有利于在進行在軌試驗前發現問題。但空間環境較為復雜，除失重、真空環境外，還需要考慮大氣阻力、太陽光壓、日月引力等攝動的影響。因此，有必要搭建能夠真實反映空間動力學環境的地面試驗驗證平臺，進而開展地面仿真校驗試驗，為進一步的空間在軌試驗奠定基礎。