方葆智

（北京市第五十七中，北京，100053）

1 宇宙垃圾概述

■1.1 宇宙垃圾的現(xiàn)狀

目前地球被無數(shù)的宇宙垃圾圍繞著，由于這些垃圾的存在可能會導致我們?nèi)祟悓砗茈y再進入宇宙空間[1]。對于宇宙垃圾所帶來的威脅，人類正在采取對策，而且目前也出現(xiàn)了較為行之有效的“宇宙垃圾處理法”。2018年4月份歐洲發(fā)射了實驗衛(wèi)星“removeDEBRIS”[2]，但是宇宙垃圾的清除目前還存在許多亟待解決的問題。自1957年發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星上天以來，人類一共發(fā)射了大約8000顆衛(wèi)星，其中有一些老舊的衛(wèi)星落入到大氣層，也有一些衛(wèi)星像宇宙飛船一樣得到回收。目前，包含廢舊衛(wèi)星在內(nèi)共有近5000顆人造衛(wèi)星圍繞地球運行著。圍繞地球運轉(zhuǎn)的物體不僅有這些衛(wèi)星，還有發(fā)射人造衛(wèi)星時，火箭的機體殘骸和搭載物等一些物體。另外，衛(wèi)星本身發(fā)生爆炸、分解以及衛(wèi)星和衛(wèi)星相撞，對衛(wèi)星所進行的一些破壞性實驗也會產(chǎn)生出許多的碎片。目前，美國軍方（18 SPCS）通過設置在全世界各地的雷達和望遠鏡追蹤這些在軌道上運行的宇宙物體，據(jù)所能追蹤到的宇宙物體有大約1萬8922個之多，但是這還是美國所能追蹤到的低軌道10厘米以上和靜止軌道約1米以上的物體，還有許多無法追蹤的小物體存在。據(jù)美國宇航局（NASA）推測，1厘米以上的物體有大約50-70萬個，1毫米以上的物體有1億個以上。

■1.2 宇宙垃圾的危害

這些細小的宇宙垃圾以每秒數(shù)公里的速度運行，如果與人造衛(wèi)星相撞，不僅會破壞衛(wèi)星使其停止工作，而且還會產(chǎn)生出新的碎片。據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，比起落入大氣層消失的宇宙垃圾，新產(chǎn)生的宇宙垃圾的數(shù)量更加龐大，今后這些新產(chǎn)生的宇宙垃圾的數(shù)量還會不斷增加。另外研究表明，宇宙垃圾之間的相互碰撞產(chǎn)生新的垃圾，因此宇宙垃圾或許會不斷如此反復地自我繁殖下去，形成碎片自我演化。如果出現(xiàn)這種情況，未來地球?qū)⒈挥钪胬采w，從而導致人類和人造衛(wèi)星無法輕易進入太空。

■1.3 宇宙垃圾的清理策略

目前為了清除這些大型宇宙垃圾，人類開始發(fā)射專門清除這些大型宇宙垃圾的衛(wèi)星。然而回收和清除大型宇宙垃圾是極其困難的。因為衛(wèi)星是以軌道速度接近以軌道速度飛行的宇宙垃圾，如果無法實現(xiàn)安全接近宇宙垃圾從而發(fā)生碰撞，不僅無法回收垃圾，還會產(chǎn)生新的宇宙垃圾。另外，目前軌道上的大型宇宙垃圾火箭殘骸和廢棄的人造衛(wèi)星數(shù)量各占一半左右。人造衛(wèi)星大多有很長的槳翼，而且運轉(zhuǎn)復雜，所以安全捕獲這些大型宇宙垃圾是非常困難的。

目前，宇宙垃圾的抓捕手段主要有：機械臂捕捉法、撒網(wǎng)捕捉法、魚叉捕捉法、風帆捕捉法等。從目前技術(shù)手段來看，由于不能控制宇宙垃圾的狀態(tài)，在捕獲時盡量在它有可能處于緩慢運轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，避免使用要求相對位置精度高和可控制狀態(tài)的捕捉方法。以捕獲火箭殘骸宇宙垃圾為例，目前機械臂捕捉法是抓捕此類宇宙垃圾的主要手段。因此，本文主要研究抓捕機器人采用柔性機械臂捕捉的方法。

2 總體結(jié)構(gòu)設計

太空非合作目標抓捕機器人主要由中央控制系統(tǒng)，柔性機械臂，識別系統(tǒng)（紅外相機），探測系統(tǒng)（光學測距儀），動力系統(tǒng)，導航制導系統(tǒng)，姿態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)、垃圾處理系統(tǒng)、安全保障系統(tǒng)等部分構(gòu)成。

此機器人以衛(wèi)星為載體，在正面設置一個柔性機械臂，長約5米，在衛(wèi)星的各個頂點上設置紅外相機，連接中央控制電腦，對外界環(huán)境進行及時反饋，并形成圖像。若只需簡單的姿態(tài)調(diào)整就通過人工智能來完成，若是需要變軌或抓捕，就需要將信號傳回地面控制中心。動力采用太陽能板，以新式的電磁波發(fā)動機為舵機驅(qū)動能量源。探測系統(tǒng)聯(lián)系導航制導系統(tǒng)、姿態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)、垃圾處理系統(tǒng)、安全保障系統(tǒng)，進行隨時的調(diào)整。柔性機械臂抓到目標后，利用機械臂上的電流棒，使其產(chǎn)生相反的力剎車，墜入大氣層，通過自轉(zhuǎn)法，保持穩(wěn)定。

中央控制系統(tǒng)：接收計算指令和指控指令，整體控制各子系統(tǒng)的高效安全協(xié)作。

識別系統(tǒng)：可采用紅外相機和人工智能技術(shù)，對空間物體自動識別宇宙垃圾。

探測系統(tǒng)：負責空間態(tài)勢感知與探測。在航天器的平臺上安裝光學測距儀，發(fā)送器對準目標發(fā)射光束，發(fā)射的光束來源于半導體光源，發(fā)光二極管(LED)、激光二極管及紅外發(fā)射二極管。光束不間斷地發(fā)射，或者改變脈沖寬度。接收器有光電二極管、光電三極管、光電池組成。在接收器的前面，裝有光學元件如透鏡和光圈等。在其后面是檢測電路，它能濾出有效信號。利用該有效信號，就可以精確確認目標的位置，使得柔性機械臂能夠準確進行抓捕。

動力系統(tǒng)：負責提供衛(wèi)星本體的在軌姿態(tài)保持和調(diào)整，機械臂驅(qū)動等動力。

導航系統(tǒng)：負責衛(wèi)星平臺和目標物體位置和姿態(tài)確定。

姿態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)：維持衛(wèi)星在軌姿態(tài)保持和抓捕過程姿態(tài)穩(wěn)定。

垃圾處理系統(tǒng)：為捕獲后的太空垃圾提供后續(xù)處理。

安全保障系統(tǒng)：提供衛(wèi)星系統(tǒng)和其他系統(tǒng)的安全保障。

各部分之間的協(xié)作關(guān)系以及工作流程如下：

第一步，通過使用紅外相機向四周發(fā)射紅外射線，尋找非合作目標；

第二步，使用光學測距儀識別和定位非合作目標的具體位置；

第三步，通過中央控制系統(tǒng)動力系統(tǒng)實現(xiàn)軌道機動到達目標軌道；

第四步，通過動力系統(tǒng)加速靠近目標；

第五步，中央控制系統(tǒng)通過比例-積分-微分（PID）控制伸出柔性機械臂進行捕獲；

第六步，中央控制系統(tǒng)通過自旋穩(wěn)定法進行自身姿態(tài)的控制與穩(wěn)定；

第七步，垃圾銷毀系統(tǒng)將宇宙垃圾送入大氣層燒毀。

3 關(guān)鍵分系統(tǒng)設計

為實現(xiàn)非合作目標的抓取任務，本文主要研究柔性機械臂、導航制導系統(tǒng)、垃圾處理系統(tǒng)和姿態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)等幾個關(guān)鍵系統(tǒng)，以解決非合作目標抓取中的軌道控制、捕獲手段、后續(xù)處理和系統(tǒng)穩(wěn)定等核心問題。

■3.1 柔性機械臂設計

3.1.1 控制方式

PID控制最早發(fā)展起來的控制策略之一。在PID控制中，控制律是控制偏差量的比例P、積分I和微分D的線性組合。由于PID控制的簡單、有效和實用，該控制方法在實際工程中得到了大量應用，其有效性得到了廣泛驗證。對于柔性機械臂的主動控制，由于其特點，一般是僅采用P、D環(huán)節(jié)。

3.1.2 捕獲手段與設計理念

衛(wèi)星本體通過變軌和軌道機動，逐漸接近目標物，與此同時伸出柔性機械臂，通過PID控制，對變量做出分析，驅(qū)動舵機，來改變機械臂的伸出長度和空間位置。對目標物進行捕獲，為了提高捕獲效率，在機械臂上設計多個可彈射的小網(wǎng)兜，在有多個小型目標物與主目標物位置靠近時可啟用，衛(wèi)星捕獲示意圖如圖1所示。衛(wèi)星為實現(xiàn)非合作目標抓捕需滿足以下幾個條件：

（1）機械臂的關(guān)節(jié)需有高應對性和良好的控制性

宇宙垃圾屬于沒有抓手和視覺標記的非合作抓捕目標，對其的質(zhì)量特性也無法進行正確判斷。此外，對它的相對運動的測定以及接近控制也會存在誤差。在這種情況下進行捕獲時，要求機械臂必須具備如下兩項重要的功能。第一是捕獲時對預測困難的運動所造成的沖突有緩沖功能；第二是要求具有捕獲后的制動動作功能。因此，為了讓機械臂具備上述兩種功能，在制造上，開發(fā)具有高應對性和良好控制性的機械臂關(guān)節(jié)就成為關(guān)鍵所在。

圖1 衛(wèi)星在軌抓捕示意圖

（2）運用力觸覺技術(shù)實現(xiàn)機械臂捕獲的高效化

以前的機械臂很難感知力的大小，因此在接觸到大撞擊時就可能會導致事故的發(fā)生。今后在開發(fā)新型的機械臂時可以考慮使用專門的軟件或者傳感器，讓機械臂所感受到的力的觸覺傳導給操作臺的操作者，使之了解機械臂所接觸到的物體的形狀、硬度、重量等。從而讓機械臂實現(xiàn)從前不能進行的復雜和高難度的操作，提高機械臂捕獲的效率并降低事故發(fā)生的風險。

（3）安全設計

防止沖突的功能：為防止沖突，容許主臂控制系統(tǒng)2次故障。機械臂前端的移動速度是在軟件控制之下的安全速度。

防止浮游物發(fā)生的功能：如果機械臂把手持的物體松開放出去的話，很有可能會造成沖撞宇宙空間站的大危險。所以對機械臂交付東西時進行確認的設計是非常重要的。建議設計時，要求機械臂在物體被確認交付之后才允許松開。

（4）標準化設計

為了減輕宇航員的操作負擔，建議機械臂操作系統(tǒng)的設計應該積極引入世界通用的標準化設計。

■3.2 軌道機動和路徑規(guī)劃

由于航天器要在不同的軌道上進行捕獲任務，需要對軌道有準確的分析，滿足最省燃料和最快時間優(yōu)化目標，因此引入軌道機動和路徑規(guī)劃對軌道進行精確計算和優(yōu)化。

搭載柔性臂機器人的在軌航天器通過態(tài)勢感知設備定位目標宇宙垃圾的相對位置，采取軌道轉(zhuǎn)移，形成相對繞飛或伴飛軌道，或達到軌道交會狀態(tài)，執(zhí)行抓捕任務。

同時軌道保持和修正也是執(zhí)行任務過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。軌道保持和修正是為了克服某些攝動力量的影響和彌補運載火箭的入軌誤差，提高軌道的運行精度，使軌道參數(shù)限制在設計規(guī)定的范圍內(nèi)而進行的軌道機動。發(fā)射航天器的任務要由運載火箭來完成。運載火箭攜帶航天器從地面起飛，到達某一飛行高度后把航天器送入到運行軌道。這段飛行軌跡成為發(fā)射入軌。根據(jù)入軌情況不同，運載火箭的發(fā)射彈道可分為直接入軌、滑行入軌和過渡入軌。

■3.3 垃圾處理系統(tǒng)

3.3.1 電流擊落法

日本宇航局開發(fā)了一種宇宙垃圾清除法，叫電流擊落法，首先被用到“HTV搭載導電線的實證實驗”中。該實驗中，“東方白鸛”6號補給機先從國際宇宙空間站（ISS）中分離出來，單獨飛行，然后該補給機伸出一個長約700米的電線，給這個電線輸入10MA的電流，通過地球磁力的作用，產(chǎn)生電磁力。這個力與“東方白鸛”的運行方向正好相反，其作用相當于是給它踩剎車，使它低于軌道的運行速度從而跌入大氣層。該裝置很簡單，不需要諸如發(fā)動機之類大動力的裝置，因此制作成本很低。此前進行此類實驗需要開發(fā)專門的人工衛(wèi)星發(fā)射到太空才行，因此需要花費很多的時間和金錢，但現(xiàn)在只需要使用“東方白鸛”補給機，就可以輕松地完成實驗。

3.3.2 吸附改變軌道法

日本一家民間企業(yè)—Astroscale公司采用了吸附改變軌道法清除宇宙垃圾，該公司開發(fā)的吸附方法主要是采用特殊的類似膠帶的粘著劑來捕捉宇宙垃圾。選擇粘著劑的理由主要是因為它的重量。粘著劑的重量只有200克左右，因此，使用粘著劑，只要粘上了就可以粘貼得很緊，降低失敗率。同時在捕獲到宇宙垃圾后，也很容易降低高度，使其落入大氣層通過摩擦進行燃燒。此外，該公司還準備發(fā)射IDEA OSG1的衛(wèi)星，主要收集存在于低軌道的大小在100μm以上的宇宙垃圾的信息。

本文研究主要采用柔性臂的太空機器人使用柔性臂抓手和網(wǎng)兜的組合方式來捕獲太空垃圾，并根據(jù)太空垃圾的尺寸靈活使用以上兩種方法來實現(xiàn)太空垃圾清理。

■3.4 姿態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)

對于航天器，不僅要求它具有一定的軌道，還要求它保持某一特定姿態(tài)。姿態(tài)穩(wěn)定與控制系統(tǒng)的任務是按航天任務要求保持航天器的特定姿態(tài)，保證航天器的星載天線或遙感裝置等對準該區(qū)的指向誤差在規(guī)定的容限內(nèi)。目前航天器的自穩(wěn)定有以下幾種方法：自旋穩(wěn)定法、三軸穩(wěn)定法、重力梯度法。

自旋穩(wěn)定的控制目的明確，具有推力偏斜和偏心對姿態(tài)控制影響小等優(yōu)點，與三軸穩(wěn)定控制相比，更適合于變軌姿態(tài)控制。采用自旋穩(wěn)定姿態(tài)控制的航天器，其變軌過程包括自由飛行和變軌發(fā)動機工作兩種狀態(tài)。自旋穩(wěn)定姿態(tài)控制一般可分為主動和被動兩種方式。被動控制利用章動阻尼器，通過增加航天器的自旋穩(wěn)定性來穩(wěn)定自旋軸。主動控制利用姿控噴管控制航天器縱軸的姿態(tài)，可克服被動控制的上述缺點，控制精度較高。由于衛(wèi)星平臺需要在任務前維持姿態(tài)穩(wěn)定，抓捕后維持質(zhì)量和力矩改變的運動穩(wěn)定，因此需要利用自旋穩(wěn)定法和三軸穩(wěn)定法維持任務前的姿態(tài)穩(wěn)定，利用重力梯度法和控制方法維持抓捕任務過程和之后的運動穩(wěn)定。

4 結(jié)論

本文通過對太空垃圾清理的現(xiàn)狀進行研究，設計太空非合作目標抓捕機器人體系結(jié)構(gòu)，通過設計柔性機械臂加網(wǎng)兜的方式，解決衛(wèi)星剛性機械臂捕獲困難、捕獲精度難以保證的問題，考慮比較全面，功能比較完整，能適用于大多數(shù)大型宇宙垃圾的抓捕，具有推廣價值。