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(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 黑龍江 哈爾濱 150001)

隨著世界各國(guó)航天活動(dòng)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(lái)，目前在軌已有人造衛(wèi)星多達(dá)數(shù)千顆。無(wú)論在軌的衛(wèi)星目前是處于失效還是運(yùn)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(lái)的空間碎片，都會(huì)導(dǎo)致寶貴的軌道資源變得越來(lái)越少[3-4]。因此，各個(gè)國(guó)家均針對(duì)航天活動(dòng)的可持續(xù)發(fā)展開(kāi)展了大量研究[5]。

目前的研究熱點(diǎn)主要集中在兩大應(yīng)用方向：一是針對(duì)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(duì)那些發(fā)生故障(如太陽(yáng)帆板未正常展開(kāi))或推進(jìn)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(hù)、維修部組件的航天器。通過(guò)加注推進(jìn)劑、維修故障、更換元器件等操作，延長(zhǎng)航天器使用壽命，實(shí)現(xiàn)在軌服務(wù)，維持目標(biāo)航天器繼續(xù)在軌運(yùn)行，降低航天發(fā)射成本[8-9]?？臻g碎片清除是指通過(guò)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?，完成太空環(huán)境清理，進(jìn)而重復(fù)利用軌道資源[10-12]。

無(wú)論是在軌服務(wù)還是空間碎片清除，它們均涉及一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)——非合作目標(biāo)捕獲[6]，它是實(shí)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(guó)、日本等發(fā)達(dá)地區(qū)已經(jīng)啟動(dòng)了相關(guān)研究，提出了概念計(jì)劃和演示驗(yàn)證規(guī)劃[13-14]。近幾年，我國(guó)也加大了該方面的研究。本文討論了非合作目標(biāo)的特點(diǎn)及分類(lèi)，介紹了國(guó)內(nèi)外非合作目標(biāo)捕獲技術(shù)發(fā)展的最新?tīng)顩r及進(jìn)展，總結(jié)了國(guó)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(duì)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(hào)”[15]，我國(guó)的“天宮一號(hào)”和“神州八號(hào)”等[16-17]。空間合作目標(biāo)是指具有專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的對(duì)接機(jī)構(gòu)航天器和有特殊設(shè)計(jì)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(méi)有裝備通信應(yīng)答機(jī)或者其他傳感器的航天器，其他航天器無(wú)法采用電子訊問(wèn)及發(fā)射信號(hào)等手段實(shí)現(xiàn)對(duì)該類(lèi)目標(biāo)的判別或定位。非合作目標(biāo)具有以下特點(diǎn)：沒(méi)有安裝特征塊和合作標(biāo)志器；沒(méi)有安裝特殊設(shè)計(jì)的對(duì)接接口；不能主動(dòng)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(guó)航天器等[13]。

1.2 非合作目標(biāo)分類(lèi)

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

表1 非合作目標(biāo)分類(lèi)

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(guò)發(fā)射激光或離子束等方式產(chǎn)生作用力，進(jìn)而推動(dòng)目標(biāo)進(jìn)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(jī)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(yú)叉、柔性?shī)A持機(jī)構(gòu)等方式[18]，捕獲方法分類(lèi)情況如圖1所示。不同的捕獲方法能夠適應(yīng)不同的對(duì)象，下面將詳細(xì)對(duì)各種捕獲方法進(jìn)行介紹。

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

2.1 剛性連接捕獲

2.1.1 單機(jī)械臂捕獲方法

單機(jī)械臂捕獲一般采用一個(gè)機(jī)械臂及末端抓捕工具的結(jié)構(gòu)形式，該方法主要針對(duì)各類(lèi)航天器，且要求目標(biāo)具有可實(shí)現(xiàn)對(duì)接的結(jié)構(gòu)，一般是星箭對(duì)接環(huán)或衛(wèi)星發(fā)動(dòng)機(jī)噴管。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)對(duì)單機(jī)械臂捕獲方法進(jìn)行了大量研究[19]，如德國(guó)DEOS(Deutsche Orbital Servicing Mission)、歐洲航天局(European Space Agency, ESA)的e.Deorbit、美國(guó)的Restore-L等諸多項(xiàng)目均使用了該方式。

1)DEOS計(jì)劃

2007年，德國(guó)宇航局(Deutsches zentrum für Luft-und Raumfahrt, DLR)開(kāi)展了一項(xiàng)名為DEOS的研究計(jì)劃[20-21]，該項(xiàng)目主要對(duì)LEO上翻滾、失控非合作目標(biāo)衛(wèi)星進(jìn)行抓捕演示驗(yàn)證，并根據(jù)任務(wù)要求輔助實(shí)現(xiàn)飛行器脫離運(yùn)行軌道。DEOS的捕獲方式采用機(jī)械臂末端配備抓取裝置來(lái)抓取目標(biāo)航天器的手柄[22]。

DEOS機(jī)械臂技術(shù)以國(guó)際空間站機(jī)器人組件任務(wù)的技術(shù)為基礎(chǔ)，國(guó)際空間站機(jī)器人組件是DLR研發(fā)的輕型機(jī)械臂，機(jī)械臂末端安裝抓取裝置，通過(guò)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(tái)相機(jī)，相機(jī)視場(chǎng)角為60°，用于輔助地面觀察目標(biāo)狀態(tài)。交會(huì)過(guò)程中所需的傳感器系統(tǒng)包括1套近距立體相機(jī)、1套中距立體相機(jī)、2套遠(yuǎn)距單色相機(jī)、1套對(duì)接單色相機(jī)、2套無(wú)線電探測(cè)器及2套激光定位器。

DEOS抓捕過(guò)程如下：

①遠(yuǎn)距離追蹤目標(biāo)至兩航天器相距300～5000 m；

②近距離交會(huì)，服務(wù)航天器逐漸靠近目標(biāo)航天器至相距幾米；

③通過(guò)機(jī)械臂帶著抓取裝置靠近對(duì)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(dòng)目標(biāo)航天器進(jìn)行離軌。

(a) 機(jī)械臂(a) Manipulator

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

2)SMART-OLEV項(xiàng)目

為了延長(zhǎng)地球靜止軌道(Geostationary Earth Orbit, GEO)通信衛(wèi)星的壽命，歐洲諸多國(guó)家如德國(guó)、瑞典和西班牙等聯(lián)合開(kāi)發(fā)的一項(xiàng)研究計(jì)劃[23]，即SMART-OLEV。該項(xiàng)目通過(guò)伸縮臂末端的抓捕工具實(shí)現(xiàn)目標(biāo)衛(wèi)星遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的抓捕[24]，如圖3所示。伸縮臂為紡錘狀機(jī)構(gòu)，采用剛性金屬制成，抓取裝置安裝在機(jī)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(gè)鎖緊機(jī)構(gòu)、1個(gè)位于末端的末端傳感器、2個(gè)感應(yīng)傳感器和2個(gè)激光傳感器組成。該機(jī)構(gòu)在伸縮臂作用下插入衛(wèi)星發(fā)動(dòng)機(jī)噴管內(nèi)，其末端鎖緊機(jī)構(gòu)插入噴管的喉部，進(jìn)而擴(kuò)展機(jī)構(gòu)張開(kāi)，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(lái)感知與目標(biāo)噴管的碰撞和感知鎖緊機(jī)構(gòu)是否達(dá)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(jī)構(gòu)

針對(duì)抓捕、控制大型空間碎片的技術(shù)開(kāi)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(jī)構(gòu)，ESA開(kāi)展了e.Deorbit mission項(xiàng)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(jī)械臂、捕獲機(jī)構(gòu)、夾緊機(jī)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(gè)機(jī)械臂靠近目標(biāo)星ENVISAT，進(jìn)而由抓捕機(jī)構(gòu)捕獲目標(biāo)星，然后再用夾緊機(jī)構(gòu)和目標(biāo)星上的對(duì)接環(huán)鎖緊，實(shí)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(jī)械臂和末端捕獲機(jī)構(gòu)[28]組成，組成末端抓捕工具如圖6所示，抓取對(duì)象是目標(biāo)星的星箭對(duì)接環(huán)。工作過(guò)程包括快速抓捕和剛性抓捕兩個(gè)階段?？焖僮ゲ锻ㄟ^(guò)螺線管執(zhí)行，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)捕獲對(duì)象的包絡(luò)，防止逃逸；剛性抓捕通過(guò)一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)捕獲手指進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)星箭對(duì)接環(huán)的剛性抓捕。它包含兩對(duì)手爪，每對(duì)手爪側(cè)面均配置用于檢測(cè)抓捕是否成功的非接觸式傳感器。中間安裝相機(jī)和LED燈及自主操作視覺(jué)系統(tǒng)，用于照明、測(cè)量和自主操作。

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

夾緊機(jī)構(gòu)如圖7所示。

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

MDA已完成抓捕機(jī)構(gòu)樣機(jī)研制，并進(jìn)行了地面試驗(yàn)，其樣機(jī)如圖8所示。

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

4)OHB抓捕機(jī)構(gòu)

德國(guó)OHB公司針對(duì)e.Deorbit項(xiàng)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(jī)構(gòu)及夾緊機(jī)構(gòu)組成，其抓捕位置是ENVISAT的星箭對(duì)接環(huán)。

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

抓捕機(jī)構(gòu)由機(jī)械臂和末端抓捕機(jī)構(gòu)組成。末端抓捕機(jī)構(gòu)如圖10所示，該機(jī)構(gòu)由兩個(gè)手爪通過(guò)一根左右旋滾珠絲杠連接，電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠正反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)兩個(gè)手爪同時(shí)靠攏或者分開(kāi)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)抓捕目標(biāo)星箭對(duì)接環(huán)的鎖緊和脫開(kāi)。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(shí)現(xiàn)手爪橫向移動(dòng)時(shí)的導(dǎo)向作用。每一個(gè)手爪上都設(shè)計(jì)成傾斜15°的鉗口，在鉗口上安裝一個(gè)欠驅(qū)動(dòng)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(duì)壓縮彈簧，每個(gè)彈簧可提供的最大壓縮力為25 N。當(dāng)手爪捕獲星箭對(duì)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(duì)接環(huán)處于捕獲容差之內(nèi)，水平滾子實(shí)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(jī)構(gòu)[31]。

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

捕獲過(guò)程如下：

①捕獲衛(wèi)星追蹤目標(biāo)進(jìn)行交會(huì)，接近到一定的距離；

②捕獲系統(tǒng)匹配ENVISAT的速度；

③機(jī)械臂展開(kāi)，抓捕工具靠近對(duì)接環(huán)；

④捕獲機(jī)構(gòu)張開(kāi)，進(jìn)行抓捕；

⑤進(jìn)行抓捕后的穩(wěn)定和機(jī)械臂控制；

⑥夾緊機(jī)構(gòu)靠近、夾緊，完成捕獲。

5)ADRexp項(xiàng)目

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

與MDA抓捕工具類(lèi)似，PIAP抓捕機(jī)構(gòu)的工作原理也分為兩個(gè)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(shí)現(xiàn)對(duì)接環(huán)的包絡(luò)，然后由相互錯(cuò)位的頜閉合包攏對(duì)接環(huán)；在剛性化抓捕階段，通過(guò)強(qiáng)夾持器的頜閉合，鎖緊對(duì)接環(huán)，建立目標(biāo)星和服務(wù)星之間的剛性連接。

對(duì)接環(huán)抓捕機(jī)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(jī)構(gòu)根據(jù)位姿信息，自主控制接近目標(biāo)的速度，并通過(guò)算法計(jì)算抓捕位置和作用力矩，完成自主抓捕。PIAP抓捕機(jī)構(gòu)的夾持器采用模塊化設(shè)計(jì)，對(duì)于不同型號(hào)的對(duì)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(duì)不同型號(hào)對(duì)接環(huán)的兩種抓捕機(jī)構(gòu)。

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

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

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

6)Restore-L抓捕機(jī)構(gòu)

針對(duì)一顆位于極地近地軌道(Low Earth Orbit, LEO)的功能衛(wèi)星，美國(guó)宇航局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)正在研究一項(xiàng)名為 Restore-L的任務(wù)。它通過(guò)對(duì)衛(wèi)星進(jìn)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(yàn)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(jī)會(huì)。

NASA戈達(dá)德太空飛行中心提出了一種機(jī)器人抓持器，用于抓捕星箭對(duì)接環(huán)，已加工出原理樣機(jī)，如圖14所示。它具有與對(duì)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(duì)接環(huán)的內(nèi)徑側(cè)相接，和一個(gè)與對(duì)接環(huán)的分離面接合的手掌。當(dāng)抓住對(duì)接環(huán)時(shí)，鉗口執(zhí)行兩階段運(yùn)動(dòng)，包括在平行于手掌的方向上朝向相對(duì)的鉗口的水平運(yùn)動(dòng)，以及將對(duì)接環(huán)拉向掌心或其他合適的表面的垂直運(yùn)動(dòng)。通過(guò)水平相向和豎直向下兩階段的動(dòng)作實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)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(duì)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(gè)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(jī)械手Fig.14 NASA robotic gripper

2.1.2 多機(jī)械臂捕獲方法

多機(jī)械臂捕獲方法采用兩個(gè)甚至更多的機(jī)械臂。在抓捕操作時(shí)，多機(jī)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(jī)械臂捕獲的控制卻非常復(fù)雜。

1)FREND項(xiàng)目

針對(duì)機(jī)械臂與可更換末端執(zhí)行器的協(xié)同操作和實(shí)現(xiàn)非合作目標(biāo)的自動(dòng)抓捕，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局(Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA)提出了一項(xiàng)名為FREND (front-end robotics enabling near-term demonstration)的演示計(jì)劃[13]。

FREND的抓捕對(duì)象為目標(biāo)星的星箭對(duì)接環(huán)和分離螺栓。它配備了3個(gè)七自由度機(jī)械臂，在末端通過(guò)可更換模塊實(shí)現(xiàn)工具的在軌切換。由機(jī)器視覺(jué)進(jìn)行抓捕對(duì)象和抓捕工具的相對(duì)位姿測(cè)量，當(dāng)抓捕對(duì)象進(jìn)入抓捕工具的捕獲范圍之后，根據(jù)控制算法自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)抓捕對(duì)象的捕獲。FREND的末端抓捕機(jī)構(gòu)有多種形式，主要有星箭對(duì)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(jī)械臂可通過(guò)更換不同的末端執(zhí)行器來(lái)滿足不同任務(wù)的要求。FREND目前已完成地面試驗(yàn)，如圖15所示。

圖15 FREND功能試驗(yàn)Fig.15 FREND functional testing

2)RSGS項(xiàng)目

地球同步衛(wèi)星的機(jī)器人維修 (Robotic Servicing of Geosynchronous Satellites， RSGS)是DARPA在2014年發(fā)起的一項(xiàng)計(jì)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(xiàng)目分為機(jī)器人維修車(chē)(Robotic Servicing Vehicle，RSV)、地面系統(tǒng)和客戶端(client spacecraft)三個(gè)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(lái)完成。

RSV概念設(shè)計(jì)如圖16所示，它由機(jī)動(dòng)系統(tǒng)(服務(wù)衛(wèi)星)和有效載荷(機(jī)器人)兩部分構(gòu)成，服務(wù)衛(wèi)星用于太空中的移動(dòng)和交會(huì)，機(jī)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(jī)械臂組成，和FREND一樣，RSV具有多種可進(jìn)行在軌更換的末端工具，可對(duì)目標(biāo)飛行器的分離螺栓、星箭對(duì)接環(huán)和遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管進(jìn)行抓捕。RSV結(jié)構(gòu)示意圖如圖17所示。

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

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

DARPA預(yù)計(jì)在2021年實(shí)現(xiàn)RSV的在軌演示。

3)三機(jī)械臂對(duì)接機(jī)構(gòu)

王曉雪、張廣玉等提出了一種對(duì)接機(jī)構(gòu)[37-38]，已完成了原理樣機(jī)加工。該捕獲機(jī)構(gòu)的抓捕對(duì)象是衛(wèi)星的遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管。對(duì)接機(jī)構(gòu)主要由支架機(jī)構(gòu)、3個(gè)機(jī)械臂和3個(gè)末端執(zhí)行器構(gòu)成，如圖18所示。

圖18 三臂型對(duì)接機(jī)構(gòu)Fig.18 Docking mechanism of three-arms

它通過(guò)3個(gè)120°布置的末端執(zhí)行器構(gòu)成1個(gè)有效區(qū)域，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管包絡(luò)，防止噴管逃逸，然后末端執(zhí)行器逐漸合攏，對(duì)目標(biāo)完成抓捕。對(duì)接機(jī)構(gòu)原理如圖19所示。

圖19 對(duì)接機(jī)構(gòu)原理Fig.19 Principle of docking mechanism

4)NUAA抓捕機(jī)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(duì)具備1194A星箭對(duì)接環(huán)的失效衛(wèi)星抓捕，提出了一種抓捕方法[39]，它通過(guò)3個(gè)相對(duì)于環(huán)軸線120°均勻布置的抓捕機(jī)構(gòu)逐次對(duì)目標(biāo)進(jìn)行抓捕，其概念設(shè)計(jì)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(jī)構(gòu)主要由底座阻尼柔順機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、四連桿抓取機(jī)構(gòu)、橫向阻尼鎖死機(jī)構(gòu)、支撐機(jī)構(gòu)和預(yù)緊力加載裝置組成。四連桿機(jī)構(gòu)上的卡爪為主要執(zhí)行裝置，橫向鎖死機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)卡爪對(duì)對(duì)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(dòng)能，如圖21所示。

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

目前該NUAA已完成樣機(jī)加工、性能測(cè)試，樣機(jī)如圖22所示。

圖22 NUAA樣機(jī)Fig.22 NUAA prototype

2.2 柔性捕獲

剛性捕獲的優(yōu)點(diǎn)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(duì)接非常穩(wěn)固。方為后續(xù)執(zhí)行在軌維修、維護(hù)、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(duì)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(kāi)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(yú)叉捕獲和柔性?shī)A持機(jī)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(jī)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(jī)械臂，構(gòu)成空間平臺(tái)、空間繩系和抓捕裝置的空間機(jī)器人。

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

該機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)碎片清理和在軌捕獲等操作，其操作范圍遠(yuǎn)達(dá)數(shù)百米，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)空間機(jī)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(tái)與目標(biāo)衛(wèi)星的直接接觸，進(jìn)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(jī)器人的工作原理主要由平臺(tái)變軌、目標(biāo)捕獲和拖曳變軌三個(gè)階段組成，如圖24所示。

圖24 空間繩系機(jī)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(mén)的一個(gè)研究方向，它通常用來(lái)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(qiáng)和成本低等優(yōu)點(diǎn)，該方法目前在歐洲許多國(guó)家得到了重視，很多研究項(xiàng)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(gè)角上配備質(zhì)量塊，稱(chēng)為“子彈”。它們有兩個(gè)作用：發(fā)射飛網(wǎng)后輔助飛網(wǎng)張開(kāi)；飛網(wǎng)接觸目標(biāo)之后，在慣性力作用下，子彈交錯(cuò)，將目標(biāo)包裹。飛網(wǎng)通過(guò)繩系與服務(wù)航天器(服務(wù)星)平臺(tái)連接，當(dāng)飛網(wǎng)包絡(luò)和抓捕目標(biāo)后，通過(guò)對(duì)服務(wù)航天器的控制，可拖動(dòng)目標(biāo)實(shí)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(dòng)力學(xué)建模和飛網(wǎng)碰撞動(dòng)力學(xué)建模。前者的關(guān)鍵是如何建立可準(zhǔn)確表述飛網(wǎng)動(dòng)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(guò)程中的力學(xué)問(wèn)題。相關(guān)研究計(jì)劃如下所述。

1)PATENDER

PATENDER是由西班牙GMV公司提出的一項(xiàng)研究計(jì)劃[44]，目標(biāo)是研發(fā)一種專(zhuān)門(mén)的模擬器，用來(lái)驗(yàn)證飛網(wǎng)捕獲方法的設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)Fig.26 Net experiment of PATENDER

針對(duì)該模擬器的可行性，研究人員進(jìn)行了一系列試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，如圖26所示。試驗(yàn)過(guò)程如下：將衛(wèi)星實(shí)物模型置于微重力環(huán)境下，發(fā)射飛網(wǎng)對(duì)衛(wèi)星模型進(jìn)行抓捕，飛網(wǎng)的軌跡和抓捕過(guò)程可通過(guò)高速攝像機(jī)記錄，最后根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)重建飛網(wǎng)三維模型及整個(gè)抓捕過(guò)程[45]。

通過(guò)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(cè)試了多組實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行對(duì)照。比較模擬捕獲過(guò)程和試驗(yàn)3D重建結(jié)果，發(fā)現(xiàn)模擬和試驗(yàn)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(guò)程。

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

2)RemoveDEBRIS飛網(wǎng)

RemoveDEBRIS是ECFP7(歐盟第七框架計(jì)劃)下的一個(gè)項(xiàng)目，旨在進(jìn)行主動(dòng)碎片清除技術(shù)的在軌演示實(shí)驗(yàn)[46]。該項(xiàng)目中飛網(wǎng)捕獲目前已經(jīng)完成了地面實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，如圖28所示。

圖28 RemoveDEBRIS飛網(wǎng)實(shí)驗(yàn)Fig.28 Net experiment of RemoveDEBRIS

飛網(wǎng)捕獲實(shí)驗(yàn)的主要過(guò)程為：第一步，從實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(gè)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(jìn)行抓捕，當(dāng)飛網(wǎng)接觸到目標(biāo)時(shí)，部署在飛網(wǎng)末端的質(zhì)量塊交錯(cuò)纏繞住目標(biāo)，防止飛網(wǎng)再次打開(kāi)。第四步，利用飛網(wǎng)帶動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行離軌。實(shí)驗(yàn)過(guò)程如圖29所示。飛網(wǎng)捕獲已在2019年成功實(shí)現(xiàn)在軌演示[47-48]，該項(xiàng)目源自歐盟委員會(huì)資助的主動(dòng)碎片清除任務(wù)。

圖29 RemoveDEBRIS飛網(wǎng)實(shí)驗(yàn)過(guò)程Fig.29 Process of RemoveDEBRIS net experiment

2.2.3 魚(yú)叉捕獲

魚(yú)叉捕獲是最近幾年新提出的一種捕獲方法[49]。它的工作過(guò)程如下：平臺(tái)發(fā)射一個(gè)帶有倒鉤的魚(yú)叉裝置；裝置穿透目標(biāo)，倒鉤打開(kāi)防止魚(yú)叉脫落；魚(yú)叉的尾部與平臺(tái)通過(guò)系繩相連。其概念設(shè)計(jì)如圖30所示。魚(yú)叉捕獲方法的優(yōu)點(diǎn)在于：能夠適應(yīng)多種形狀目標(biāo)；能夠在較遠(yuǎn)的距離捕獲目標(biāo)；不需要特定抓捕點(diǎn)。魚(yú)叉捕獲的缺點(diǎn)是抓捕時(shí)會(huì)產(chǎn)生新的碎片。雖然魚(yú)叉捕獲的優(yōu)勢(shì)并不突出，但該方法成本低廉、容易進(jìn)行地面試驗(yàn)驗(yàn)證，故魚(yú)叉捕獲方法在多項(xiàng)研究計(jì)劃中被采用。

圖30 魚(yú)叉裝置概念圖Fig.30 Concept of harpoon mechanism

1)RemoveDEBRIS魚(yú)叉

RemoveDEBRIS的構(gòu)成如圖31所示[50]，魚(yú)叉和發(fā)射裝置位于上部，底部安裝一個(gè)可伸縮的機(jī)械臂，它連接著10 cm×10 cm的鋁制目標(biāo)板，當(dāng)機(jī)械臂向外伸展時(shí)，目標(biāo)板會(huì)一起離開(kāi)平臺(tái)，達(dá)到1.5 m距離時(shí)機(jī)械臂停止運(yùn)動(dòng)，隨后發(fā)射魚(yú)叉開(kāi)始試驗(yàn)。

圖31 魚(yú)叉實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(jìn)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(jī)構(gòu)。當(dāng)壓力達(dá)到一定閾值時(shí)，抑制機(jī)構(gòu)釋放，活塞推動(dòng)魚(yú)叉發(fā)射。裝置的前端有一個(gè)保持機(jī)構(gòu)，防止魚(yú)叉提前發(fā)射。顯而易見(jiàn)，魚(yú)叉需足夠的動(dòng)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(gè)關(guān)鍵數(shù)值，經(jīng)地面測(cè)試可知，穿透給定鋁板所需的速度為20 m/s。RemoveDEBRIS項(xiàng)目于2017年完成了魚(yú)叉裝置的樣機(jī)研制，如圖32所示，并進(jìn)行了地面試驗(yàn)[51]。

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

2)e.Deorbit魚(yú)叉

e.Deorbit項(xiàng)目中也進(jìn)行了魚(yú)叉捕獲研究[52]，該項(xiàng)目中的魚(yú)叉機(jī)構(gòu)由Airbus公司負(fù)責(zé)研制。圖33為e.Deorbit項(xiàng)目中的魚(yú)叉結(jié)構(gòu)。

圖33 ESA魚(yú)叉Fig.33 ESA harpoon

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

圖34 Airbus魚(yú)叉實(shí)驗(yàn)Fig.34 Harpoon experiment of Airbus

2.2.4 柔性?shī)A持機(jī)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(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)柔性捕獲的機(jī)構(gòu)稱(chēng)為柔性?shī)A持機(jī)構(gòu)。新型材料的某些獨(dú)特性質(zhì)為非合作目標(biāo)捕獲帶來(lái)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(xiàng)研究計(jì)劃——CSO(clean space one)[54]，它的目的在于針對(duì)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(guò)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?shī)A持機(jī)構(gòu)，能夠通過(guò)控制電壓以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jī)的質(zhì)量約為0.65 g，CSO的設(shè)計(jì)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(chǎng)景的示意圖，抓捕過(guò)程包含五個(gè)階段：①初始狀態(tài)，夾持器壓縮，可保證體積最?。虎趭A持器伸展；③夾持器展開(kāi)，使開(kāi)口尺寸到達(dá)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(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的抓捕。

圖36 CSO抓捕過(guò)程Fig.36 Capturing process of CSO

2)仿壁虎黏附機(jī)構(gòu)

通過(guò)對(duì)壁虎腳掌特殊生理機(jī)構(gòu)的研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研發(fā)了類(lèi)似的仿生材料。該材料具有很強(qiáng)的黏附性能，Tadini等[56]制備的材料法向黏附強(qiáng)度可達(dá)6 N/cm2。戴振東等[57]開(kāi)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(guò)材料的強(qiáng)黏附性粘住目標(biāo)，防止逃逸[58]。麻省理工學(xué)院和德國(guó)布倫瑞克工業(yè)大學(xué)聯(lián)合設(shè)計(jì)了一種采用仿壁虎黏附陣列的抓取機(jī)構(gòu)[59-60]，如圖37所示。

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

夾持器由步進(jìn)電機(jī)、螺桿、滑塊、導(dǎo)軌和手爪等組成。步進(jìn)電機(jī)固定在機(jī)殼上，通過(guò)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(jìn)電機(jī)動(dòng)作時(shí)，可帶動(dòng)滑塊往復(fù)移動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)手爪的張開(kāi)與閉合。該機(jī)構(gòu)的抓捕方式如圖38所示。夾持器安裝在機(jī)械臂的前端，在機(jī)械臂的作用下靠近目標(biāo)，然后夾持器前端夾子張開(kāi)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(kāi)角度可抓取不同形狀和大小的目標(biāo)，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。目前國(guó)外研究機(jī)構(gòu)已進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試。

圖38 抓捕過(guò)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(huì)產(chǎn)生組合體系統(tǒng)不穩(wěn)定的風(fēng)險(xiǎn)。而非接觸式捕獲由于與目標(biāo)沒(méi)有直接接觸，不會(huì)產(chǎn)生該風(fēng)險(xiǎn)，故國(guó)外學(xué)者提出采用非接觸式捕獲方法來(lái)清理空間碎片。

2.3.1 激光系統(tǒng)

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

激光系統(tǒng)是一種通過(guò)發(fā)射脈沖激光來(lái)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(jì)如圖39所示。研究人員發(fā)現(xiàn)，目標(biāo)被激光照射時(shí)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(shí)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(duì)目標(biāo)的操作時(shí)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(jì)劃中曾討論了該方法的可行性。其通過(guò)一顆裝有Shepherd的追蹤星來(lái)接近目標(biāo)，然后將等離子束射到目標(biāo)上，進(jìn)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(diǎn)在于整個(gè)碎片清除過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生接觸，并且不會(huì)帶來(lái)污染，因?yàn)榘l(fā)射的等離子體最終會(huì)回落到大氣中。與激光系統(tǒng)類(lèi)似，IBS也有形狀依賴(lài)性問(wèn)題。Bombardelli研究了等離子束照射球形和圓柱形碎片的動(dòng)態(tài)響應(yīng)[63-64]，通過(guò)最小化Shepherd質(zhì)量?jī)?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(gè)推進(jìn)系統(tǒng)來(lái)保持兩者間的距離。研究人員通過(guò)數(shù)值分析和實(shí)驗(yàn)得出了結(jié)論：使用2500 kg的Shepherd可以在170天內(nèi)清除6個(gè)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(zhuān)門(mén)用于對(duì)接的接口，因此，選擇捕獲方法時(shí)應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況決定?？臻g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(lèi)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(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管和星箭對(duì)接環(huán)等共性特征?？紤]到它們是衛(wèi)星的通用結(jié)構(gòu)且具備較高的強(qiáng)度，因此，通常選擇它們作為理想的抓捕目標(biāo)。國(guó)內(nèi)外研究機(jī)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(guó)外DEOS、e.Deorbit等任務(wù)，國(guó)內(nèi)的三機(jī)械臂對(duì)接機(jī)構(gòu)。捕獲機(jī)構(gòu)基本上均采用機(jī)械臂安裝抓捕工具的形式實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的抓捕。

對(duì)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(yú)叉、黏附等捕獲方法。此類(lèi)方法相對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)械臂捕獲，難度小、成本低、效果顯著，因此最近受到國(guó)內(nèi)外研究人員越來(lái)越多的關(guān)注。表 2總結(jié)了目前國(guó)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(guò)程一般可分為目標(biāo)探測(cè)識(shí)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(cè)量技術(shù)

在交會(huì)、抓捕過(guò)程中需要對(duì)目標(biāo)的各種信息進(jìn)行探測(cè)，通過(guò)測(cè)量的信息來(lái)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(cè)量的信息包括目標(biāo)的相對(duì)位姿、目標(biāo)的相對(duì)速度、目標(biāo)的幾何結(jié)構(gòu)、尺寸等信息，對(duì)于航天器目標(biāo)，還需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管和對(duì)接環(huán)等特定結(jié)構(gòu)進(jìn)行跟蹤測(cè)量，獲取實(shí)時(shí)相對(duì)位姿、速度等信息，從而實(shí)現(xiàn)后續(xù)的準(zhǔn)確捕獲。

由于非合作目標(biāo)上沒(méi)有用于定位和識(shí)別的標(biāo)志器，因此如何獲得目標(biāo)的準(zhǔn)確信息是目前研究的一大難點(diǎn)。國(guó)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(dá)和紅外相機(jī)組合探測(cè)的方式，可對(duì)目標(biāo)進(jìn)行多方位的觀察；近距離時(shí)采用雙目可見(jiàn)光學(xué)相機(jī)進(jìn)行視覺(jué)測(cè)量計(jì)算。但是，這些方法都有相應(yīng)的局限性，距離實(shí)際應(yīng)用仍有不小差距。

4.2 接近?？考夹g(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(jìn)行近距離逼近及?？?。在接近過(guò)程中，由于空間環(huán)境復(fù)雜，通過(guò)測(cè)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(cè)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(shí)，相對(duì)位置和姿態(tài)的變化會(huì)直接影響測(cè)量和控制精度。能否實(shí)現(xiàn)安全地接近并停靠取決于捕獲平臺(tái)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(diǎn)要解決的問(wèn)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(dòng)量的影響，往往會(huì)出現(xiàn)復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由于目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律比較復(fù)雜，這種情況下直接對(duì)其進(jìn)行抓捕很可能會(huì)導(dǎo)致抓捕失敗，因此需要對(duì)目標(biāo)進(jìn)行消旋處理，將目標(biāo)的旋轉(zhuǎn)速度減慢，然后再進(jìn)行抓捕操作。目前，國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)提出了多種消旋方法，如通過(guò)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(jìn)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(duì)其分別進(jìn)行介紹。

第一方面是硬件。對(duì)于剛性捕獲，其關(guān)鍵在于靈巧機(jī)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(qiáng)等特點(diǎn)?？臻g環(huán)境的惡劣性對(duì)機(jī)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(shí)現(xiàn)抓捕及后續(xù)在軌操作任務(wù)，對(duì)機(jī)械臂的長(zhǎng)度、構(gòu)型、質(zhì)量等都有特定的要求。其長(zhǎng)度和構(gòu)型須滿足在軌任務(wù)所需的工作空間要求，機(jī)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(xì)操作。減輕機(jī)械臂質(zhì)量主要依靠材料，機(jī)械臂的外殼、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等均盡量采用比強(qiáng)度高的材料。為確保抓捕任務(wù)順利，機(jī)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(qiáng)度。末端執(zhí)行器的另一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是其包絡(luò)范圍，這決定了抓捕容差的大小?？紤]到可靠性要求，機(jī)械臂及末端執(zhí)行器通常會(huì)采用電氣冗余備份的方式來(lái)提高可靠性。

對(duì)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(jì)及網(wǎng)格大小、形狀。不同形狀的質(zhì)量塊對(duì)飛網(wǎng)的飛行及纏繞性能都會(huì)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(zhǎng)L之比l/L在1%～5%時(shí)飛網(wǎng)的性能最好。飛網(wǎng)材料要求質(zhì)量輕、強(qiáng)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(yú)叉捕獲的發(fā)射機(jī)構(gòu)影響著魚(yú)叉的射程及穿透力，目前的研究多采用氣動(dòng)機(jī)構(gòu)作為發(fā)射機(jī)構(gòu)。此外，魚(yú)叉的頂端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響著穿透性能以及穿透后能否鉤住目標(biāo)。柔性?shī)A持機(jī)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(guò)程中與目標(biāo)的接觸碰撞都是需要解決的一個(gè)難點(diǎn)。對(duì)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(kāi)，且可能對(duì)機(jī)械臂產(chǎn)生破壞，因此需要采用柔順控制策略，若是多機(jī)械臂協(xié)同捕獲，則還需要考慮多機(jī)械臂的同步性。為保證抓捕過(guò)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(huì)發(fā)生改變，需設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制算法來(lái)保證整體系統(tǒng)的穩(wěn)定。對(duì)于柔性捕獲，飛網(wǎng)捕獲的重點(diǎn)在于研究飛網(wǎng)的動(dòng)力學(xué)模型及飛網(wǎng)捕獲過(guò)程中的控制。魚(yú)叉捕獲需要考慮碰撞動(dòng)力學(xué)模型，以及如何避免魚(yú)叉穿透目標(biāo)時(shí)可能產(chǎn)生新碎片。

4.5 遙操作技術(shù)

遙操作是通過(guò)地面控制臺(tái)來(lái)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(guò)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(lái)完成空間的測(cè)量、交會(huì)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(wèn)題是地面與太空的通信滯后造成的時(shí)延問(wèn)題，這對(duì)超近距離的精細(xì)操作造成了極大的挑戰(zhàn)。為確保地面對(duì)太空捕獲系統(tǒng)的準(zhǔn)確控制，時(shí)延問(wèn)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(shì)

1)目前，國(guó)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(yàn)階段，并未實(shí)現(xiàn)太空應(yīng)用。因此，國(guó)外研究機(jī)構(gòu)下一步的發(fā)展計(jì)劃是進(jìn)行太空實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證當(dāng)前捕獲方法的可行性。我國(guó)由于在這方面起步較晚，故下一步應(yīng)加大投入力度，進(jìn)行相關(guān)研究。

2)國(guó)內(nèi)外提出的捕獲方法基本上依賴(lài)于地面遙操作，但在未來(lái)的實(shí)際應(yīng)用中，由于地面遙操作會(huì)有較大的時(shí)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(lái)的捕獲方法也將趨于智能化，如自主觀測(cè)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(lái)也將商業(yè)化。之前DARPA、ESA等機(jī)構(gòu)所提出的研究項(xiàng)目中已經(jīng)明確了在軌服務(wù)和太空清理的商業(yè)化進(jìn)程。我國(guó)近幾年也出現(xiàn)了多家民營(yíng)火箭公司，或許未來(lái)我國(guó)非合作目標(biāo)領(lǐng)域的捕獲技術(shù)也會(huì)實(shí)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(jià)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(lái)將是航天領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。國(guó)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(jì)劃提上了日程。我國(guó)在非合作目標(biāo)捕獲領(lǐng)域的研究起步較晚，相比歐美國(guó)家仍有不小差距。近年來(lái)，在國(guó)家的大力支持下，我國(guó)的研究發(fā)展迅猛，與歐美國(guó)家的差距正在逐漸減小，相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)必然會(huì)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。