空間非合作目標(biāo)捕獲方法綜述

孫永軍，王 鈐，劉伊威，謝宗武，金明河，劉 宏

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機器人技術(shù)與系統(tǒng)國家重點實驗室， 黑龍江 哈爾濱 150001)

隨著世界各國航天活動的發(fā)展，有限的軌道資源在逐漸減小[1]。據(jù)分析，全球每年約有80～130顆衛(wèi)星需要發(fā)射[2]，而且每年的數(shù)量還在逐漸增加。自從第一顆人造衛(wèi)星發(fā)射以來，目前在軌已有人造衛(wèi)星多達數(shù)千顆。無論在軌的衛(wèi)星目前是處于失效還是運行狀態(tài)，它們都在占用著有限的軌道資源。除此之外，發(fā)射衛(wèi)星后火箭殘骸，甚至是航天器事故帶來的空間碎片，都會導(dǎo)致寶貴的軌道資源變得越來越少[3-4]。因此，各個國家均針對航天活動的可持續(xù)發(fā)展開展了大量研究[5]。

目前的研究熱點主要集中在兩大應(yīng)用方向：一是針對航天器的在軌服務(wù)[6]；二是空間碎片的清除[7]。在軌服務(wù)是針對那些發(fā)生故障(如太陽帆板未正常展開)或推進劑耗盡但其他部組件仍可正常工作的衛(wèi)星，以及需要維護、維修部組件的航天器。通過加注推進劑、維修故障、更換元器件等操作，延長航天器使用壽命，實現(xiàn)在軌服務(wù)，維持目標(biāo)航天器繼續(xù)在軌運行，降低航天發(fā)射成本[8-9]。空間碎片清除是指通過合適的手段將地球低軌道碎片送入大氣層燒毀，高軌道的碎片拖入墳?zāi)管壍溃瓿商窄h(huán)境清理，進而重復(fù)利用軌道資源[10-12]。

無論是在軌服務(wù)還是空間碎片清除，它們均涉及一項關(guān)鍵技術(shù)——非合作目標(biāo)捕獲[6]，它是實現(xiàn)在軌服務(wù)及空間碎片清除的關(guān)鍵。十幾年前，歐洲、美國、日本等發(fā)達地區(qū)已經(jīng)啟動了相關(guān)研究，提出了概念計劃和演示驗證規(guī)劃[13-14]。近幾年，我國也加大了該方面的研究。本文討論了非合作目標(biāo)的特點及分類，介紹了國內(nèi)外非合作目標(biāo)捕獲技術(shù)發(fā)展的最新狀況及進展，總結(jié)了國內(nèi)外現(xiàn)有的非合作目標(biāo)捕獲方法。

1 非合作目標(biāo)分析

1.1 非合作目標(biāo)含義

一般地，非合作目標(biāo)是相對于合作目標(biāo)而言。典型的合作目標(biāo)有俄羅斯的“聯(lián)盟號”[15]，我國的“天宮一號”和“神州八號”等[16-17]。空間合作目標(biāo)是指具有專門設(shè)計的對接機構(gòu)航天器和有特殊設(shè)計的合作目標(biāo)標(biāo)志器。

空間非合作目標(biāo)一般是指那些沒有裝備通信應(yīng)答機或者其他傳感器的航天器，其他航天器無法采用電子訊問及發(fā)射信號等手段實現(xiàn)對該類目標(biāo)的判別或定位。非合作目標(biāo)具有以下特點：沒有安裝特征塊和合作標(biāo)志器；沒有安裝特殊設(shè)計的對接接口；不能主動傳送其姿態(tài)信息。非合作目標(biāo)通常包括己方未配置合作接口的衛(wèi)星、安裝合作接口但發(fā)生故障或燃料耗盡的己方衛(wèi)星、己方失效衛(wèi)星的空間碎片及敵國航天器等[13]。

1.2 非合作目標(biāo)分類

非合作目標(biāo)的非合作性程度主要是從測量和抓捕這兩方面來決定的，因此可把非合作目標(biāo)分為4類，分類情況如表1所示。

表1 非合作目標(biāo)分類

2 非合作目標(biāo)捕獲方法

根據(jù)與目標(biāo)是否接觸，非合作目標(biāo)捕獲可分為接觸式捕獲和非接觸式捕獲。其中，非接觸式捕獲可通過發(fā)射激光或離子束等方式產(chǎn)生作用力，進而推動目標(biāo)進入預(yù)期位置。接觸式捕獲可分為剛性連接捕獲和柔性連接捕獲，剛性連接捕獲方法主要為機械臂末端配備抓取裝置的形式；柔性連接捕獲主要有飛網(wǎng)、繩系裝置、魚叉、柔性夾持機構(gòu)等方式[18]，捕獲方法分類情況如圖1所示。不同的捕獲方法能夠適應(yīng)不同的對象，下面將詳細對各種捕獲方法進行介紹。

圖1 捕獲方法分類Fig.1 Categories of capturing methods

2.1 剛性連接捕獲

2.1.1 單機械臂捕獲方法

單機械臂捕獲一般采用一個機械臂及末端抓捕工具的結(jié)構(gòu)形式，該方法主要針對各類航天器，且要求目標(biāo)具有可實現(xiàn)對接的結(jié)構(gòu)，一般是星箭對接環(huán)或衛(wèi)星發(fā)動機噴管。目前，國內(nèi)外學(xué)者和研究機構(gòu)對單機械臂捕獲方法進行了大量研究[19]，如德國DEOS(Deutsche Orbital Servicing Mission)、歐洲航天局(European Space Agency, ESA)的e.Deorbit、美國的Restore-L等諸多項目均使用了該方式。

1)DEOS計劃

2007年，德國宇航局(Deutsches zentrum für Luft-und Raumfahrt, DLR)開展了一項名為DEOS的研究計劃[20-21]，該項目主要對LEO上翻滾、失控非合作目標(biāo)衛(wèi)星進行抓捕演示驗證，并根據(jù)任務(wù)要求輔助實現(xiàn)飛行器脫離運行軌道。DEOS的捕獲方式采用機械臂末端配備抓取裝置來抓取目標(biāo)航天器的手柄[22]。

DEOS機械臂技術(shù)以國際空間站機器人組件任務(wù)的技術(shù)為基礎(chǔ)，國際空間站機器人組件是DLR研發(fā)的輕型機械臂，機械臂末端安裝抓取裝置，通過手爪閉合抓住目標(biāo)手柄，如圖2所示。手爪上安裝照明系統(tǒng)和1臺相機，相機視場角為60°，用于輔助地面觀察目標(biāo)狀態(tài)。交會過程中所需的傳感器系統(tǒng)包括1套近距立體相機、1套中距立體相機、2套遠距單色相機、1套對接單色相機、2套無線電探測器及2套激光定位器。

DEOS抓捕過程如下：

①遠距離追蹤目標(biāo)至兩航天器相距300～5000 m；

②近距離交會，服務(wù)航天器逐漸靠近目標(biāo)航天器至相距幾米；

③通過機械臂帶著抓取裝置靠近對接手柄，抓取裝置手爪閉合鎖緊，完成抓捕；

④待組合體穩(wěn)定后，服務(wù)航天器帶動目標(biāo)航天器進行離軌。

(a) 機械臂(a) Manipulator

(b) 抓取裝置(b) Gripper圖2 DEOS捕獲機構(gòu)Fig.2 Capturing mechanism of DEOS

2)SMART-OLEV項目

為了延長地球靜止軌道(Geostationary Earth Orbit, GEO)通信衛(wèi)星的壽命，歐洲諸多國家如德國、瑞典和西班牙等聯(lián)合開發(fā)的一項研究計劃[23]，即SMART-OLEV。該項目通過伸縮臂末端的抓捕工具實現(xiàn)目標(biāo)衛(wèi)星遠地點發(fā)動機噴管的抓捕[24]，如圖3所示。伸縮臂為紡錘狀機構(gòu)，采用剛性金屬制成，抓取裝置安裝在機械臂前端，其可作用的距離為0.7 m。抓捕工具如圖4所示，由1個鎖緊機構(gòu)、1個位于末端的末端傳感器、2個感應(yīng)傳感器和2個激光傳感器組成。該機構(gòu)在伸縮臂作用下插入衛(wèi)星發(fā)動機噴管內(nèi)，其末端鎖緊機構(gòu)插入噴管的喉部，進而擴展機構(gòu)張開，最后鎖緊噴管喉部，最終完成抓捕。抓取裝置上的傳感器用來感知與目標(biāo)噴管的碰撞和感知鎖緊機構(gòu)是否達到鎖緊位置。

圖3 SMART-OLEV概念圖Fig.3 Concept of SMART-OLEV

圖4 SMART-OLEV抓捕工具Fig.4 Capturing tool of SMART-OLEV

3)MDA抓捕機構(gòu)

針對抓捕、控制大型空間碎片的技術(shù)開發(fā)和太空垃圾清理的商業(yè)化[25-26]，聯(lián)合MDA、OHB、DLR等多家機構(gòu)，ESA開展了e.Deorbit mission項目。由MDA公司提出的捕獲衛(wèi)星概念圖如圖5所示[27]。它主要由機械臂、捕獲機構(gòu)、夾緊機構(gòu)、傳感器系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。其工作原理是由1個機械臂靠近目標(biāo)星ENVISAT，進而由抓捕機構(gòu)捕獲目標(biāo)星，然后再用夾緊機構(gòu)和目標(biāo)星上的對接環(huán)鎖緊，實現(xiàn)捕獲衛(wèi)星與目標(biāo)的高剛度連接。

圖5 MDA捕獲衛(wèi)星概念圖Fig.5 Concept of MDA capturing satellite

抓捕系統(tǒng)由七自由度機械臂和末端捕獲機構(gòu)[28]組成，組成末端抓捕工具如圖6所示，抓取對象是目標(biāo)星的星箭對接環(huán)。工作過程包括快速抓捕和剛性抓捕兩個階段。快速抓捕通過螺線管執(zhí)行，主要實現(xiàn)對捕獲對象的包絡(luò)，防止逃逸；剛性抓捕通過一個電機驅(qū)動滾珠絲杠，將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成直線運動，進而帶動捕獲手指進行運動，實現(xiàn)星箭對接環(huán)的剛性抓捕。它包含兩對手爪，每對手爪側(cè)面均配置用于檢測抓捕是否成功的非接觸式傳感器。中間安裝相機和LED燈及自主操作視覺系統(tǒng)，用于照明、測量和自主操作。

圖6 MDA抓捕機構(gòu)Fig.6 Capturing mechanism of MDA

夾緊機構(gòu)如圖7所示。

圖7 MDA夾緊機構(gòu)Fig.7 Clamping mechanism of MDA

MDA已完成抓捕機構(gòu)樣機研制，并進行了地面試驗，其樣機如圖8所示。

圖8 MDA抓捕機構(gòu)樣機Fig.8 Mock-up of MDA capturing mechanism

4)OHB抓捕機構(gòu)

德國OHB公司針對e.Deorbit項目提出了一種捕獲方案[29-30]，如圖9所示。該捕獲系統(tǒng)由抓捕機構(gòu)及夾緊機構(gòu)組成，其抓捕位置是ENVISAT的星箭對接環(huán)。

圖9 OHB捕獲系統(tǒng)概念圖Fig.9 Concept of OHB capturing system

抓捕機構(gòu)由機械臂和末端抓捕機構(gòu)組成。末端抓捕機構(gòu)如圖10所示，該機構(gòu)由兩個手爪通過一根左右旋滾珠絲杠連接，電機驅(qū)動絲杠正反向轉(zhuǎn)動時帶動兩個手爪同時靠攏或者分開，從而實現(xiàn)對抓捕目標(biāo)星箭對接環(huán)的鎖緊和脫開。手爪的底部與手掌之間安裝一條行程35 mm的直線導(dǎo)軌，實現(xiàn)手爪橫向移動時的導(dǎo)向作用。每一個手爪上都設(shè)計成傾斜15°的鉗口，在鉗口上安裝一個欠驅(qū)動的夾子，夾子上有支撐滾子、水平滾子和垂直限位擋塊，夾子和手爪之間配備一對壓縮彈簧，每個彈簧可提供的最大壓縮力為25 N。當(dāng)手爪捕獲星箭對接環(huán)之后，15°的鉗口可提供一定的垂直作用力，支撐滾子保證對接環(huán)處于捕獲容差之內(nèi)，水平滾子實現(xiàn)水平夾緊力的傳遞，垂直限位擋塊提供垂直夾緊力的傳遞。OHB捕獲方案中使用MDA提出的夾緊機構(gòu)[31]。

圖10 OHB末端機構(gòu)Fig.10 OHB terminal mechanism

捕獲過程如下：

①捕獲衛(wèi)星追蹤目標(biāo)進行交會，接近到一定的距離；

②捕獲系統(tǒng)匹配ENVISAT的速度；

③機械臂展開，抓捕工具靠近對接環(huán)；

④捕獲機構(gòu)張開，進行抓捕；

⑤進行抓捕后的穩(wěn)定和機械臂控制；

⑥夾緊機構(gòu)靠近、夾緊，完成捕獲。

5)ADRexp項目

針對主動清除碎片任務(wù)(Active Debris Removal, ADR)，波蘭PIAP公司研制了用于ADRexp項目的抓捕機構(gòu)[32]。目前，研究人員已經(jīng)成功進行了地面抓捕驗證試驗。抓捕機構(gòu)包含兩個獨立的夾持器，分別是快速夾持器和強力夾持器，抓捕位置是星箭對接環(huán)，它可以直接安裝在機械臂末端或者配備在捕獲衛(wèi)星上[33]。

與MDA抓捕工具類似，PIAP抓捕機構(gòu)的工作原理也分為兩個階段：軟抓捕階段和剛性抓捕階段。在軟抓捕階段，快速夾持器首先實現(xiàn)對接環(huán)的包絡(luò)，然后由相互錯位的頜閉合包攏對接環(huán)；在剛性化抓捕階段，通過強夾持器的頜閉合，鎖緊對接環(huán)，建立目標(biāo)星和服務(wù)星之間的剛性連接。

對接環(huán)抓捕機構(gòu)有遙控操作和自主操作兩種工作模式。在自主操作模式下，抓捕機構(gòu)根據(jù)位姿信息，自主控制接近目標(biāo)的速度，并通過算法計算抓捕位置和作用力矩，完成自主抓捕。PIAP抓捕機構(gòu)的夾持器采用模塊化設(shè)計，對于不同型號的對接環(huán)(如圖11所示)，只需要更換夾持器的手指和頜即可。圖12、圖13為針對不同型號對接環(huán)的兩種抓捕機構(gòu)。

圖11 不同類型的對接環(huán)Fig.11 Different kinds of launch adapter ring

圖12 Ⅰ型對接環(huán)抓捕工具Fig.12 Capturing tool for typeⅠ

圖13 Ⅱ型對接環(huán)抓捕工具Fig.13 Capturing tool for type Ⅱ

6)Restore-L抓捕機構(gòu)

針對一顆位于極地近地軌道(Low Earth Orbit, LEO)的功能衛(wèi)星，美國宇航局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)正在研究一項名為 Restore-L的任務(wù)。它通過對衛(wèi)星進行在軌燃料加注，并展示一套配套相關(guān)的服務(wù)技術(shù)。該技術(shù)將驗證NASA火星之旅的關(guān)鍵技術(shù)，并為在軌服務(wù)提供全新的商業(yè)機會。

NASA戈達德太空飛行中心提出了一種機器人抓持器，用于抓捕星箭對接環(huán)，已加工出原理樣機，如圖14所示。它具有與對接環(huán)的外徑側(cè)接合的外側(cè)鉗口，該內(nèi)側(cè)鉗口與對接環(huán)的內(nèi)徑側(cè)相接，和一個與對接環(huán)的分離面接合的手掌。當(dāng)抓住對接環(huán)時，鉗口執(zhí)行兩階段運動，包括在平行于手掌的方向上朝向相對的鉗口的水平運動，以及將對接環(huán)拉向掌心或其他合適的表面的垂直運動。通過水平相向和豎直向下兩階段的動作實現(xiàn)對對接環(huán)的抓捕與鎖緊。該抓持器可以適應(yīng)從Atlas V 到Delta IV的所有對接環(huán)，它可以約束服務(wù)航天器和客戶端之間的全部6個自由度、具備足夠的剛度，可完成組合星后續(xù)執(zhí)行主要姿態(tài)控制[34]。

圖14 NASA 機械手Fig.14 NASA robotic gripper

2.1.2 多機械臂捕獲方法

多機械臂捕獲方法采用兩個甚至更多的機械臂。在抓捕操作時，多機械臂間可以相互配合，故靈活性更好、抓捕成功率更大。然而，多機械臂捕獲的控制卻非常復(fù)雜。

1)FREND項目

針對機械臂與可更換末端執(zhí)行器的協(xié)同操作和實現(xiàn)非合作目標(biāo)的自動抓捕，美國國防部高級研究計劃局(Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA)提出了一項名為FREND (front-end robotics enabling near-term demonstration)的演示計劃[13]。

FREND的抓捕對象為目標(biāo)星的星箭對接環(huán)和分離螺栓。它配備了3個七自由度機械臂，在末端通過可更換模塊實現(xiàn)工具的在軌切換。由機器視覺進行抓捕對象和抓捕工具的相對位姿測量，當(dāng)抓捕對象進入抓捕工具的捕獲范圍之后，根據(jù)控制算法自動實現(xiàn)對抓捕對象的捕獲。FREND的末端抓捕機構(gòu)有多種形式，主要有星箭對接環(huán)夾鉗、螺栓-螺母擰緊夾鉗、三爪式鎖鉤等。因此，F(xiàn)REND機械臂可通過更換不同的末端執(zhí)行器來滿足不同任務(wù)的要求。FREND目前已完成地面試驗，如圖15所示。

圖15 FREND功能試驗Fig.15 FREND functional testing

2)RSGS項目

地球同步衛(wèi)星的機器人維修 (Robotic Servicing of Geosynchronous Satellites， RSGS)是DARPA在2014年發(fā)起的一項計劃[35]，目的在于為GEO衛(wèi)星提供可靠、持久、低成本服務(wù)[36]。RSGS項目分為機器人維修車(Robotic Servicing Vehicle，RSV)、地面系統(tǒng)和客戶端(client spacecraft)三個部分，其中最為關(guān)鍵的部分為RSV，在軌的各種操作都是由RSV來完成。

RSV概念設(shè)計如圖16所示，它由機動系統(tǒng)(服務(wù)衛(wèi)星)和有效載荷(機器人)兩部分構(gòu)成，服務(wù)衛(wèi)星用于太空中的移動和交會，機器人用于目標(biāo)抓捕及后續(xù)操作。RSV的有效載荷由兩條FREND Mark II型機械臂組成，和FREND一樣，RSV具有多種可進行在軌更換的末端工具，可對目標(biāo)飛行器的分離螺栓、星箭對接環(huán)和遠地點發(fā)動機噴管進行抓捕。RSV結(jié)構(gòu)示意圖如圖17所示。

圖16 RSV概念設(shè)計Fig.16 RSV notional design

圖17 RSV結(jié)構(gòu)示意圖Fig.17 RSV structure

DARPA預(yù)計在2021年實現(xiàn)RSV的在軌演示。

3)三機械臂對接機構(gòu)

王曉雪、張廣玉等提出了一種對接機構(gòu)[37-38]，已完成了原理樣機加工。該捕獲機構(gòu)的抓捕對象是衛(wèi)星的遠地點發(fā)動機噴管。對接機構(gòu)主要由支架機構(gòu)、3個機械臂和3個末端執(zhí)行器構(gòu)成，如圖18所示。

圖18 三臂型對接機構(gòu)Fig.18 Docking mechanism of three-arms

它通過3個120°布置的末端執(zhí)行器構(gòu)成1個有效區(qū)域，實現(xiàn)對發(fā)動機噴管包絡(luò)，防止噴管逃逸，然后末端執(zhí)行器逐漸合攏，對目標(biāo)完成抓捕。對接機構(gòu)原理如圖19所示。

圖19 對接機構(gòu)原理Fig.19 Principle of docking mechanism

4)NUAA抓捕機構(gòu)

2017年南京航空航天大學(xué)(Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, NUAA)的潘正偉針對具備1194A星箭對接環(huán)的失效衛(wèi)星抓捕，提出了一種抓捕方法[39]，它通過3個相對于環(huán)軸線120°均勻布置的抓捕機構(gòu)逐次對目標(biāo)進行抓捕，其概念設(shè)計如圖20所示。

圖20 NUAA捕獲系統(tǒng)概念圖Fig.20 Concept of NUAA capturing system

抓捕機構(gòu)主要由底座阻尼柔順機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)、四連桿抓取機構(gòu)、橫向阻尼鎖死機構(gòu)、支撐機構(gòu)和預(yù)緊力加載裝置組成。四連桿機構(gòu)上的卡爪為主要執(zhí)行裝置，橫向鎖死機構(gòu)實現(xiàn)卡爪對對接環(huán)的輔助固定，底座阻尼系統(tǒng)可降低目標(biāo)捕獲后的動能，如圖21所示。

圖21 NUAA抓捕機構(gòu)組成Fig.21 Composition of NUAA capturing mechanism

目前該NUAA已完成樣機加工、性能測試，樣機如圖22所示。

圖22 NUAA樣機Fig.22 NUAA prototype

2.2 柔性捕獲

剛性捕獲的優(yōu)點在于目標(biāo)衛(wèi)星(客戶星)與捕獲衛(wèi)星(服務(wù)星)之間為剛性連接，對接非常穩(wěn)固。方為后續(xù)執(zhí)行在軌維修、維護、燃料加注等服務(wù)提供便利條件。不足之處在于服務(wù)星容易與客戶星發(fā)生碰撞，導(dǎo)致任務(wù)失敗。此外，剛性捕獲對于服務(wù)星的控制性能要求非常高，導(dǎo)致技術(shù)難度大，研制成本高。為了克服以上不足，研究人員開發(fā)了柔性捕獲方法。目前，該方法主要包括繩系抓捕裝置、飛網(wǎng)捕獲、魚叉捕獲和柔性夾持機構(gòu)。

2.2.1 繩系抓捕裝置

黃攀峰等、王東升研發(fā)了一種空間繩系機器人(Space Tethered Robot， TSR)[40-41]，如圖23所示。它利用繩系代替具備多自由度的空間機械臂，構(gòu)成空間平臺、空間繩系和抓捕裝置的空間機器人。

圖23 空間繩系機器人概念圖Fig.23 Concept of tethered space robot

該機器人可實現(xiàn)碎片清理和在軌捕獲等操作，其操作范圍遠達數(shù)百米，遠遠超過傳統(tǒng)空間機器人的操作范圍(數(shù)米)。操作距離的加大可有效避免空間平臺與目標(biāo)衛(wèi)星的直接接觸，進而消除與目標(biāo)可能發(fā)生的碰撞，安全性大大提高。空間繩系機器人的工作原理主要由平臺變軌、目標(biāo)捕獲和拖曳變軌三個階段組成，如圖24所示。

圖24 空間繩系機器人任務(wù)流程Fig.24 Mission process of TSR

2.2.2 飛網(wǎng)捕獲

飛網(wǎng)捕獲方法是現(xiàn)階段非常熱門的一個研究方向，它通常用來清除空間碎片或者將失效航天器離軌。由于飛網(wǎng)捕獲的適應(yīng)性強和成本低等優(yōu)點，該方法目前在歐洲許多國家得到了重視，很多研究項目都使用了該方法[42]。

飛網(wǎng)的結(jié)構(gòu)通常采用四邊形，在四個角上配備質(zhì)量塊，稱為“子彈”。它們有兩個作用：發(fā)射飛網(wǎng)后輔助飛網(wǎng)張開；飛網(wǎng)接觸目標(biāo)之后，在慣性力作用下，子彈交錯，將目標(biāo)包裹。飛網(wǎng)通過繩系與服務(wù)航天器(服務(wù)星)平臺連接，當(dāng)飛網(wǎng)包絡(luò)和抓捕目標(biāo)后，通過對服務(wù)航天器的控制，可拖動目標(biāo)實現(xiàn)離軌操作[43]。

飛網(wǎng)捕獲的技術(shù)瓶頸主要包括兩部分：柔性飛網(wǎng)動力學(xué)建模和飛網(wǎng)碰撞動力學(xué)建模。前者的關(guān)鍵是如何建立可準確表述飛網(wǎng)動力學(xué)模型的柔性特征，后者主要研究飛網(wǎng)與目標(biāo)接觸、碰撞過程中的力學(xué)問題。相關(guān)研究計劃如下所述。

1)PATENDER

PATENDER是由西班牙GMV公司提出的一項研究計劃[44]，目標(biāo)是研發(fā)一種專門的模擬器，用來驗證飛網(wǎng)捕獲方法的設(shè)計和仿真。圖25為模擬器中建立的飛網(wǎng)模型。

圖25 PATENDER飛網(wǎng)模型Fig.25 Net model of PATENDER

圖26 PATENDER飛網(wǎng)實驗Fig.26 Net experiment of PATENDER

針對該模擬器的可行性，研究人員進行了一系列試驗進行驗證，如圖26所示。試驗過程如下：將衛(wèi)星實物模型置于微重力環(huán)境下，發(fā)射飛網(wǎng)對衛(wèi)星模型進行抓捕，飛網(wǎng)的軌跡和抓捕過程可通過高速攝像機記錄，最后根據(jù)試驗數(shù)據(jù)重建飛網(wǎng)三維模型及整個抓捕過程[45]。

通過改變飛網(wǎng)結(jié)構(gòu)、子彈質(zhì)量、形狀、發(fā)射角度和速度等，測試了多組實驗并進行對照。比較模擬捕獲過程和試驗3D重建結(jié)果，發(fā)現(xiàn)模擬和試驗結(jié)果大體相吻合，表明了模擬器的可行性。圖27展示了飛網(wǎng)包裹目標(biāo)的過程。

圖27 飛網(wǎng)包裹過程Fig.27 Process of net wrapping

2)RemoveDEBRIS飛網(wǎng)

RemoveDEBRIS是ECFP7(歐盟第七框架計劃)下的一個項目，旨在進行主動碎片清除技術(shù)的在軌演示實驗[46]。該項目中飛網(wǎng)捕獲目前已經(jīng)完成了地面實驗驗證，如圖28所示。

圖28 RemoveDEBRIS飛網(wǎng)實驗Fig.28 Net experiment of RemoveDEBRIS

飛網(wǎng)捕獲實驗的主要過程為：第一步，從實驗平臺上以較低的速度(5 cm/s)釋放一顆小的立方體衛(wèi)星作為碎片目標(biāo)。該立方體衛(wèi)星上搭載了可充氣膨脹的氣球，可為飛網(wǎng)捕獲提供一個較大的目標(biāo)。第二步，氣球充氣膨脹。第三步，發(fā)射飛網(wǎng)進行抓捕，當(dāng)飛網(wǎng)接觸到目標(biāo)時，部署在飛網(wǎng)末端的質(zhì)量塊交錯纏繞住目標(biāo)，防止飛網(wǎng)再次打開。第四步，利用飛網(wǎng)帶動目標(biāo)進行離軌。實驗過程如圖29所示。飛網(wǎng)捕獲已在2019年成功實現(xiàn)在軌演示[47-48]，該項目源自歐盟委員會資助的主動碎片清除任務(wù)。

圖29 RemoveDEBRIS飛網(wǎng)實驗過程Fig.29 Process of RemoveDEBRIS net experiment

2.2.3 魚叉捕獲

魚叉捕獲是最近幾年新提出的一種捕獲方法[49]。它的工作過程如下：平臺發(fā)射一個帶有倒鉤的魚叉裝置；裝置穿透目標(biāo)，倒鉤打開防止魚叉脫落；魚叉的尾部與平臺通過系繩相連。其概念設(shè)計如圖30所示。魚叉捕獲方法的優(yōu)點在于：能夠適應(yīng)多種形狀目標(biāo)；能夠在較遠的距離捕獲目標(biāo)；不需要特定抓捕點。魚叉捕獲的缺點是抓捕時會產(chǎn)生新的碎片。雖然魚叉捕獲的優(yōu)勢并不突出，但該方法成本低廉、容易進行地面試驗驗證，故魚叉捕獲方法在多項研究計劃中被采用。

圖30 魚叉裝置概念圖Fig.30 Concept of harpoon mechanism

1)RemoveDEBRIS魚叉

RemoveDEBRIS的構(gòu)成如圖31所示[50]，魚叉和發(fā)射裝置位于上部，底部安裝一個可伸縮的機械臂，它連接著10 cm×10 cm的鋁制目標(biāo)板，當(dāng)機械臂向外伸展時，目標(biāo)板會一起離開平臺，達到1.5 m距離時機械臂停止運動，隨后發(fā)射魚叉開始試驗。

圖31 魚叉實驗平臺Fig.31 Harpoon experimental platform

在裝置尾部安裝氣體發(fā)生器，待產(chǎn)生的氣體釋放，進入裝置后部腔體，產(chǎn)生的氣壓作用在活塞上，活塞連著抑制機構(gòu)。當(dāng)壓力達到一定閾值時，抑制機構(gòu)釋放，活塞推動魚叉發(fā)射。裝置的前端有一個保持機構(gòu)，防止魚叉提前發(fā)射。顯而易見，魚叉需足夠的動量才能讓它穿透目標(biāo)，在質(zhì)量一定的前提下，速度是一個關(guān)鍵數(shù)值，經(jīng)地面測試可知，穿透給定鋁板所需的速度為20 m/s。RemoveDEBRIS項目于2017年完成了魚叉裝置的樣機研制，如圖32所示，并進行了地面試驗[51]。

圖32 魚叉發(fā)射裝置樣機Fig.32 Mock-up of harpoon launcher

2)e.Deorbit魚叉

e.Deorbit項目中也進行了魚叉捕獲研究[52]，該項目中的魚叉機構(gòu)由Airbus公司負責(zé)研制。圖33為e.Deorbit項目中的魚叉結(jié)構(gòu)。

圖33 ESA魚叉Fig.33 ESA harpoon

Airbus公司詳細研究了魚叉穿透目標(biāo)時的碎片產(chǎn)生情況以及在低溫環(huán)境下魚叉穿透鋁板的性能。圖34為魚叉穿透實驗，研究人員通過大量的實驗驗證了魚叉捕獲的可行性[53]。在歐盟委員會資助的主動碎片清除任務(wù)中，于2019年成功實現(xiàn)在軌演示[47-48]。

圖34 Airbus魚叉實驗Fig.34 Harpoon experiment of Airbus

2.2.4 柔性夾持機構(gòu)

利用一些特殊材料的特性，如仿壁虎腳的微納米黏附和介電彈性體材料等，實現(xiàn)對目標(biāo)柔性捕獲的機構(gòu)稱為柔性夾持機構(gòu)。新型材料的某些獨特性質(zhì)為非合作目標(biāo)捕獲帶來了新的發(fā)展方向。

1)CSO

在2012年，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院提出了一項研究計劃——CSO(clean space one)[54]，它的目的在于針對空間碎片清除，研發(fā)一種清潔衛(wèi)星。CSO是一顆微型衛(wèi)星，通過由介電彈性體材料組成的夾持器抓捕空間碎片[55]。它是一種高介電常數(shù)的彈性體材料，在外界電刺激作用下可變體積和形狀，當(dāng)外界電刺激消失后，又可恢復(fù)到原始體積和形狀。采用該材料的可折疊柔性夾持機構(gòu)，能夠通過控制電壓以實現(xiàn)對目標(biāo)的抓捕。夾持器抓捕手指的變化角度約為60°，抓取力為0.8 mN，執(zhí)行器原理樣機的質(zhì)量約為0.65 g，CSO的設(shè)計理念如圖35所示。

圖35 CSO概念圖Fig.35 Concept of CSO

圖36描繪了預(yù)期捕獲場景的示意圖，抓捕過程包含五個階段：①初始狀態(tài)，夾持器壓縮，可保證體積最小；②夾持器伸展；③夾持器展開，使開口尺寸到達最大范圍；④CSO包絡(luò)目標(biāo)，防止逃逸；⑤夾持器繼續(xù)閉合實現(xiàn)對目標(biāo)的抓捕。

圖36 CSO抓捕過程Fig.36 Capturing process of CSO

2)仿壁虎黏附機構(gòu)

通過對壁虎腳掌特殊生理機構(gòu)的研究，國內(nèi)外學(xué)者研發(fā)了類似的仿生材料。該材料具有很強的黏附性能，Tadini等[56]制備的材料法向黏附強度可達6 N/cm2。戴振東等[57]開發(fā)了具有很好黏附性能的碳納米管陣列。因其良好的黏附性能，有學(xué)者提出可將該材料用于空間目標(biāo)捕獲，原理是通過材料的強黏附性粘住目標(biāo)，防止逃逸[58]。麻省理工學(xué)院和德國布倫瑞克工業(yè)大學(xué)聯(lián)合設(shè)計了一種采用仿壁虎黏附陣列的抓取機構(gòu)[59-60]，如圖37所示。

圖37 仿壁虎黏附機構(gòu)Fig.37 Capturing mechanism of bionic gecko

夾持器由步進電機、螺桿、滑塊、導(dǎo)軌和手爪等組成。步進電機固定在機殼上，通過聯(lián)軸器和螺桿連接，滑塊一端和螺桿固連，一端和手爪鉸接，手爪內(nèi)側(cè)夾持面上放置仿壁虎黏附陣列。當(dāng)步進電機動作時，可帶動滑塊往復(fù)移動，進而實現(xiàn)手爪的張開與閉合。該機構(gòu)的抓捕方式如圖38所示。夾持器安裝在機械臂的前端，在機械臂的作用下靠近目標(biāo)，然后夾持器前端夾子張開一定角度，隨后手爪貼住目標(biāo)，隨著手爪慢慢合攏，在手爪內(nèi)側(cè)黏合劑的作用下黏附目標(biāo)，完成目標(biāo)捕獲。調(diào)整手爪的張開角度可抓取不同形狀和大小的目標(biāo)，具有較強的適應(yīng)性。目前國外研究機構(gòu)已進行了相關(guān)測試。

圖38 抓捕過程示意圖Fig.38 Illustration of capturing process

2.3 非接觸式捕獲

接觸式捕獲由于與目標(biāo)間有接觸力，因此可能會產(chǎn)生組合體系統(tǒng)不穩(wěn)定的風(fēng)險。而非接觸式捕獲由于與目標(biāo)沒有直接接觸，不會產(chǎn)生該風(fēng)險，故國外學(xué)者提出采用非接觸式捕獲方法來清理空間碎片。

2.3.1 激光系統(tǒng)

圖39 LODR概念設(shè)計Fig.39 Concept of LODR

激光系統(tǒng)是一種通過發(fā)射脈沖激光來減小空間碎片速度和高度的方法，該方法既可清除大的空間碎片，也可以清除小的空間碎片。Phipps提出的LODR(laser orbital debris removal)[61]系統(tǒng)能夠每8周將Envisat推離軌道40 km，該激光系統(tǒng)可以安裝在赤道、極地或者船上，其概念設(shè)計如圖39所示。研究人員發(fā)現(xiàn)，目標(biāo)被激光照射時的響應(yīng)與其形狀有關(guān)，Liedahl研究了激光噴射不同形狀物體時的響應(yīng)[62]，包括立方體、球體、平板、旋轉(zhuǎn)平板和圓柱等。為了減少激光對目標(biāo)的操作時間，需要知道目標(biāo)的精確軌道信息。

2.3.2 IBS

IBS(ion beam shepherd)是一種將中和等離子束射到碎片上，從而降低其高度的方法，在ESA的空間碎片清除計劃中曾討論了該方法的可行性。其通過一顆裝有Shepherd的追蹤星來接近目標(biāo)，然后將等離子束射到目標(biāo)上，進而將目標(biāo)推離軌道[63],如圖40所示。

圖40 IBS概念圖Fig.40 Concept of IBS

該方法的優(yōu)點在于整個碎片清除過程中不會產(chǎn)生接觸，并且不會帶來污染，因為發(fā)射的等離子體最終會回落到大氣中。與激光系統(tǒng)類似，IBS也有形狀依賴性問題。Bombardelli研究了等離子束照射球形和圓柱形碎片的動態(tài)響應(yīng)[63-64]，通過最小化Shepherd質(zhì)量優(yōu)化了整體系統(tǒng)。根據(jù)研究，捕獲衛(wèi)星和目標(biāo)之間的距離需要保持在10～20 m，并且需要另一個推進系統(tǒng)來保持兩者間的距離。研究人員通過數(shù)值分析和實驗得出了結(jié)論：使用2500 kg的Shepherd可以在170天內(nèi)清除6個GEO軌道的碎片[65]。

3 捕獲方法分析

考慮到空間非合作目標(biāo)通常不具備專門用于對接的接口，因此，選擇捕獲方法時應(yīng)該根據(jù)實際情況決定。空間非合作目標(biāo)尤其是故障航天器或失效衛(wèi)星等均具有類似的通用結(jié)構(gòu)，如許多衛(wèi)星尤其是大型衛(wèi)星，均具備遠地點發(fā)動機噴管和星箭對接環(huán)等共性特征。考慮到它們是衛(wèi)星的通用結(jié)構(gòu)且具備較高的強度，因此，通常選擇它們作為理想的抓捕目標(biāo)。國內(nèi)外研究機構(gòu)研制的多種非合作目標(biāo)抓捕工具均以此為依據(jù)，如國外DEOS、e.Deorbit等任務(wù)，國內(nèi)的三機械臂對接機構(gòu)。捕獲機構(gòu)基本上均采用機械臂安裝抓捕工具的形式實現(xiàn)對目標(biāo)的抓捕。

對于不具備通用結(jié)構(gòu)的空間碎片等非合作目標(biāo)，通常采用飛網(wǎng)、繩系裝置、魚叉、黏附等捕獲方法。此類方法相對于傳統(tǒng)機械臂捕獲，難度小、成本低、效果顯著，因此最近受到國內(nèi)外研究人員越來越多的關(guān)注。表 2總結(jié)了目前國內(nèi)外主要的捕獲方法。

表2 捕獲方法總結(jié)

表2(續(xù))

4 關(guān)鍵技術(shù)

非合作目標(biāo)捕獲過程一般可分為目標(biāo)探測識別階段、接近靠攏階段和抓捕階段。這些階段中涉及的關(guān)鍵技術(shù)如下。

4.1 非合作目標(biāo)測量技術(shù)

在交會、抓捕過程中需要對目標(biāo)的各種信息進行探測，通過測量的信息來判斷目標(biāo)狀態(tài)，然后引導(dǎo)捕獲系統(tǒng)接近、捕獲目標(biāo)。需要測量的信息包括目標(biāo)的相對位姿、目標(biāo)的相對速度、目標(biāo)的幾何結(jié)構(gòu)、尺寸等信息，對于航天器目標(biāo)，還需要對發(fā)動機噴管和對接環(huán)等特定結(jié)構(gòu)進行跟蹤測量，獲取實時相對位姿、速度等信息，從而實現(xiàn)后續(xù)的準確捕獲。

由于非合作目標(biāo)上沒有用于定位和識別的標(biāo)志器，因此如何獲得目標(biāo)的準確信息是目前研究的一大難點。國內(nèi)外相關(guān)的學(xué)者已提出了一些方法，如采用激光雷達和紅外相機組合探測的方式，可對目標(biāo)進行多方位的觀察；近距離時采用雙目可見光學(xué)相機進行視覺測量計算。但是，這些方法都有相應(yīng)的局限性，距離實際應(yīng)用仍有不小差距。

4.2 接近停靠技術(shù)

在接近靠攏階段，首先捕獲系統(tǒng)要接近目標(biāo)到一定的距離，然后進行近距離逼近及停靠。在接近過程中，由于空間環(huán)境復(fù)雜，通過測量技術(shù)獲取的目標(biāo)信息較少，故需要導(dǎo)航系統(tǒng)能在較少測量信息的情況下提供高精度的導(dǎo)航信息。此外，在近距離逼近時，相對位置和姿態(tài)的變化會直接影響測量和控制精度。能否實現(xiàn)安全地接近并停靠取決于捕獲平臺導(dǎo)航與控制系統(tǒng)的性能，因此，如何提高導(dǎo)航精度及控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度是重點要解決的問題。

4.3 非合作目標(biāo)消旋技術(shù)

非合作目標(biāo)大多處于失控狀態(tài)，受重力及自身殘余角動量的影響，往往會出現(xiàn)復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)運動。由于目標(biāo)的運動規(guī)律比較復(fù)雜，這種情況下直接對其進行抓捕很可能會導(dǎo)致抓捕失敗，因此需要對目標(biāo)進行消旋處理，將目標(biāo)的旋轉(zhuǎn)速度減慢，然后再進行抓捕操作。目前，國內(nèi)外研究機構(gòu)提出了多種消旋方法，如通過電磁消旋、離子束消旋、氣體沖擊消旋等，這些消旋技術(shù)的突破將有助于非合作目標(biāo)捕獲的成功進行。

4.4 非合作目標(biāo)抓捕技術(shù)

抓捕技術(shù)主要涉及兩方面的內(nèi)容，下面對其分別進行介紹。

第一方面是硬件。對于剛性捕獲，其關(guān)鍵在于靈巧機械臂技術(shù)與末端執(zhí)行器技術(shù)。太空環(huán)境與地面環(huán)境差異巨大，相比于地面，太空環(huán)境具有高真空、微重力、溫差大及輻射強等特點。空間環(huán)境的惡劣性對機械臂和末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)、可靠性均提出了更高的要求。

為了實現(xiàn)抓捕及后續(xù)在軌操作任務(wù)，對機械臂的長度、構(gòu)型、質(zhì)量等都有特定的要求。其長度和構(gòu)型須滿足在軌任務(wù)所需的工作空間要求，機械臂的質(zhì)量要求盡可能小，質(zhì)量大不僅增加發(fā)射成本，也不利于在軌精細操作。減輕機械臂質(zhì)量主要依靠材料，機械臂的外殼、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等均盡量采用比強度高的材料。為確保抓捕任務(wù)順利，機械臂在關(guān)節(jié)及末端配置有力/力矩傳感器，用于感知關(guān)節(jié)及末端的力/力矩信息。

剛性捕獲的末端執(zhí)行器是與目標(biāo)直接接觸的部分，所以要求末端執(zhí)行器具有高剛度和高強度。末端執(zhí)行器的另一個關(guān)鍵參數(shù)是其包絡(luò)范圍，這決定了抓捕容差的大小。考慮到可靠性要求，機械臂及末端執(zhí)行器通常會采用電氣冗余備份的方式來提高可靠性。

對于柔性捕獲，其中的飛網(wǎng)抓捕主要在于飛網(wǎng)結(jié)構(gòu)、飛網(wǎng)材料等方面。飛網(wǎng)結(jié)構(gòu)涉及飛網(wǎng)邊緣質(zhì)量塊形狀的設(shè)計及網(wǎng)格大小、形狀。不同形狀的質(zhì)量塊對飛網(wǎng)的飛行及纏繞性能都會有影響。有研究證明，網(wǎng)格形狀采用方形，網(wǎng)格尺寸l與網(wǎng)邊長L之比l/L在1%～5%時飛網(wǎng)的性能最好。飛網(wǎng)材料要求質(zhì)量輕、強度高以及韌性好等，可用的材料有Zylon纖維、Kevlar纖維、Vectran纖維等。魚叉捕獲的發(fā)射機構(gòu)影響著魚叉的射程及穿透力，目前的研究多采用氣動機構(gòu)作為發(fā)射機構(gòu)。此外，魚叉的頂端結(jié)構(gòu)設(shè)計影響著穿透性能以及穿透后能否鉤住目標(biāo)。柔性夾持機構(gòu)的關(guān)鍵主要是特殊材料的應(yīng)用，如介電彈性體材料、仿壁虎黏附材料等。

第二方面是控制。不管是剛性捕獲還是柔性捕獲，在抓捕過程中與目標(biāo)的接觸碰撞都是需要解決的一個難點。對于剛性捕獲，其末端執(zhí)行器與目標(biāo)的接觸力大，容易將目標(biāo)彈開，且可能對機械臂產(chǎn)生破壞，因此需要采用柔順控制策略，若是多機械臂協(xié)同捕獲，則還需要考慮多機械臂的同步性。為保證抓捕過程可控，可在末端執(zhí)行器上安裝位置、力/力矩等多種傳感器。此外，抓捕后組合體的質(zhì)量、慣量、質(zhì)心位置都會發(fā)生改變，需設(shè)計相應(yīng)的控制算法來保證整體系統(tǒng)的穩(wěn)定。對于柔性捕獲，飛網(wǎng)捕獲的重點在于研究飛網(wǎng)的動力學(xué)模型及飛網(wǎng)捕獲過程中的控制。魚叉捕獲需要考慮碰撞動力學(xué)模型，以及如何避免魚叉穿透目標(biāo)時可能產(chǎn)生新碎片。

4.5 遙操作技術(shù)

遙操作是通過地面控制臺來遙控在軌捕獲系統(tǒng)，在人的決策下完成捕獲任務(wù)。由于非合作目標(biāo)捕獲過程復(fù)雜程度高，目前尚未具備完全自主化的捕獲，故采用遙操作方式來完成空間的測量、交會和捕獲仍是當(dāng)前的主要方式。目前，遙操作技術(shù)存在的主要問題是地面與太空的通信滯后造成的時延問題，這對超近距離的精細操作造成了極大的挑戰(zhàn)。為確保地面對太空捕獲系統(tǒng)的準確控制，時延問題是目前必須突破的技術(shù)難關(guān)。

5 非合作目標(biāo)捕獲發(fā)展趨勢

1)目前，國內(nèi)外提出的非合作目標(biāo)捕獲方法基本上處于理論研究或者地面試驗階段，并未實現(xiàn)太空應(yīng)用。因此，國外研究機構(gòu)下一步的發(fā)展計劃是進行太空實驗，以驗證當(dāng)前捕獲方法的可行性。我國由于在這方面起步較晚，故下一步應(yīng)加大投入力度，進行相關(guān)研究。

2)國內(nèi)外提出的捕獲方法基本上依賴于地面遙操作，但在未來的實際應(yīng)用中，由于地面遙操作會有較大的時間延遲，很可能導(dǎo)致捕獲失敗。隨著人工智能的發(fā)展，未來的捕獲方法也將趨于智能化，如自主觀測跟蹤目標(biāo)、自主捕獲等。

3)隨著商業(yè)航天的發(fā)展，非合作目標(biāo)捕獲領(lǐng)域未來也將商業(yè)化。之前DARPA、ESA等機構(gòu)所提出的研究項目中已經(jīng)明確了在軌服務(wù)和太空清理的商業(yè)化進程。我國近幾年也出現(xiàn)了多家民營火箭公司，或許未來我國非合作目標(biāo)領(lǐng)域的捕獲技術(shù)也會實現(xiàn)商業(yè)化，因此具有非常廣闊的發(fā)展前景。

6 結(jié)論

空間非合作目標(biāo)捕獲技術(shù)在太空垃圾清理、在軌服務(wù)等方面有著巨大的應(yīng)用價值。發(fā)展非合作目標(biāo)捕獲技術(shù)有助于緩解軌道資源緊張、降低航天技術(shù)成本，未來將是航天領(lǐng)域的研究熱點。國外在該領(lǐng)域發(fā)展較早，取得了較大發(fā)展，并已將太空演示計劃提上了日程。我國在非合作目標(biāo)捕獲領(lǐng)域的研究起步較晚，相比歐美國家仍有不小差距。近年來，在國家的大力支持下，我國的研究發(fā)展迅猛，與歐美國家的差距正在逐漸減小，相信在不遠的將來必然會達到國際先進水平。