绳系系统在空间碎片清除中的应用

胡永新，黄攀峰*，刘习尧

(1.西北工业大学航天飞行动力学技术重点实验室，西安 710072； 2.西北工业大学智能机器人研究中心，西安 710072)

1 引言

先进的空间技术能够大大提高战略威慑，保障国家安全，并且能够在民生领域发挥重大作用，各个航天大国都在积极发展空间科学技术，并开展空间探索活动。迄今为止，人类进行了约6090次火箭发射活动。但是随着太空活动的增加，空间环境恶化严重，轨道资源紧缺、空间碎片激增等问题严重影响空间活动的安全性和可持续性。欧洲航天局(ESA)在2021年7月9日最新更新的统计数据指出[1]：自1957年以来，人类向地球轨道发射了约12000颗卫星，目前在轨的卫星个数约为7510个，其中仅4500颗仍然能够正常工作。导致产生空间碎片的分裂、爆炸、碰撞等空间异常事件约有560起。10cm以上的太空垃圾已经超过34000个。

全球商业航天也已经呈现出了爆炸式增长的态势，具有代表性的是美国太空探索技术(SpaceX)公司推出的总计42000颗卫星的“星链”(Starlink)卫星星座(图1(a))、美国一网(OneWeb)公司推出总计6372颗卫星的“一网”(Oneweb)卫星星座(图1(b))，中国航天科技集团有限公司推出的“鸿雁”全球通信卫星星座[2]。可以预见的是未来地球轨道必将会出现大批故障或超出寿命的卫星。轨道资源紧缺以及空间碎片激增问题将会变得越来越突出。

图1 星链系统和一网系统[3]Fig.1 Starlink system and OneWeb system

太空中不乏高价值卫星由于各种原因失效，比如我国在2006年发射的地球同步轨道卫星“鑫诺二号”，由于太阳帆板未正常打开而失效，直接经济损失达到20亿元人民币，潜在经济损失达到1000亿元人民币[4]。2015年美国“主被动土壤水分监测卫星”，入轨后仅工作三个月便因主动雷达停止运转而使得性能大幅度下降[5]。近年来，地球静止轨道(GEO)卫星年均达到使用寿命约15颗，自主成功离轨约6.5颗，事实上其中部分高价值卫星的功能依然存在，只需要进行系统升级或燃料加注便能够继续正常在轨运行，达到“起死回生”的效果，进而能够实现在轨资源的高效利用。

目前，各航天大国对空间碎片高效移除的技术手段均有迫切需求。空间碎片移除通常指将高轨碎片移至坟墓轨道，将低轨碎片移至大气层烧毁。事实上失效卫星的在轨维修和在轨加注也是空间碎片移除手段之一。目前已经提出的空间碎片主动移除技术主要有以下几类：

(1)激光主动移除空间碎片技术

激光主动移除空间碎片技术针对空间碎片的大小有两种工作模式：针对微小型的空间碎片，通过激光照射其表面，致使空间碎片升温并气化；针对较大的空间碎片，通过激光照射使得空间碎片辐照区形成等离子体反喷羽流，进而获取反向速度增量改变其初始轨道，实现空间碎片移除的目的，如图2所示。

图2 激光系统和操作示意图[6]Fig.2 Schematic diagram of laser system and its operations

(2)增阻离轨移除技术

该技术利用沾着泡沫、充气装置[7]、折叠阻力帆形成气球或抛物面形状增加空间碎片的气动阻力，如图3所示，可以加速空间碎片轨道降低，实现快速移除的目的。

图3 薄膜轨道衰降装置[7]Fig.3 The Gossamer orbit lowering device

(3)机械臂、捕获爪或交会对接

服务航天器通过机械臂、捕获爪或交会对接等手段使自身与目标形成稳固连接。对目标进行维修、燃料加注或利用自身推力器实现组合体变轨，进而达到移除空间碎片的目的。

(4)绳系系统主动移除空间碎片技术

该技术主要由包括目标捕获技术与目标离轨技术。其中目标捕获主要通过绳爪、绳网、绳矛等手段，通过逼近抓捕、大包络覆盖、直接击穿等方式与目标形成稳定连接，实现目标的在轨捕获。目标离轨主要包括拖曳离轨和电动力系绳离轨。其中拖曳离轨主要是在完成目标捕获后形成组合体，平台通过系绳拖动目标离开现有轨道，从而实现对目标的拖曳变轨；电动力系绳离轨则是通过将千米级导电系绳与空间碎片连接，其轨道运动切割地球磁力线并在电离子层中形成回路产生电流，进而与地球磁场相互作用产生洛伦兹力实现快速离轨。

2 绳系系统主动移除

ESA开展的ROGER项目，研究了地球静止轨道机器人对卫星在轨服务的技术可行性和经济性，如图4所示。该技术可以通过专用服务卫星将在轨卫星从地球同步轨道上移除，其任务方案侧重于多颗废弃同步轨道卫星重新入轨，技术主要包括捕获机构、抓捕器的姿轨控制子系统以及导航制导和控制子系统。其中使用的捕获手段主要有绳爪和绳网，虽然该项目在2003年被终止，但其引领的关于空间绳系机器人的研究热潮一直延续到现在。

图4 ROGER项目Fig.4 ROGER Project

ESA开展的RemoveDEBRIS[8，9]项目是世界上首次验证太空垃圾移除技术，如图5所示。其验证的捕获手段包括绳网和绳矛两种手段，该试验主要包括四部分，分别是绳网捕获试验、绳矛捕获试验、基于视觉的导航试验以及利用系绳拖曳离轨试验，于2018年9月16日和2019年2月8日验证了利用绳网和绳矛实现对人工目标的捕获。这两次试验表明了空间绳系系统具有空间碎片主动移除的应用前景。如图6所示，绳网由系绳、网子以及收口质量块构成，绳网通过弹射装置释放，并在飞行过程中逐渐展开，完全展开后开始收缩，并包裹目标实现捕获。绳矛捕获手段则是利用矛状构型以一定速度击穿目标，并利用倒刺结构对目标锁紧。

图5 RemoveDEBRIS项目Fig.5 RemoveDEBRIS Project

图6 空间绳网机器人结构组成[12]Fig.6 Structural composition of the tethered space net[12]

空间绳系机器人[10]为西北工业大学研究的利用系绳在太空进行抓捕与操作的新型空间机器人。该机器人可自主识别、跟踪和逼近100m内的非合作、失稳空间目标，对其太阳帆板支架、杆状天线等进行捕获，并根据需要进行辅助稳定、回收、拖曳移除等操作。如图7所示，该机器人系统主要由平台、系绳、抓捕器组成。抓捕器上配置“单+双”三目相机，可自主识别非合作的空间目标并测量相对目标的位姿信息；自带12个推进器，并可利用系绳实现对目标的自主逼近，并利用捕获爪实现对目标太阳帆板支架、杆状天线等机构的抓捕和锁紧。然后利用系绳控制器控制系绳，实现辅助稳定、回收、拖曳移除等任务。任务完成后，还可利用系绳回收抓捕器，并与分离机构对接，充电、补加推进剂，实现重复使用。

图7 空间绳系机器人系统组成示意图Fig.7 The schematic diagram of the tethered space robot system

空间绳系机器人操作距离远、灵活度高、操作过程对平台安全高，对目标结束在轨服务后，可以通过系绳，推力器等回收抓捕器，对抓捕器进行充电和燃料加注，进而实现重复使用，具有很高的在轨服务效率。西北工业大学黄攀峰教授团队针对空间绳系机器人中的各项关键技术开展研究，研制了国内首个空间绳系机器人系统样机，可实现旋转速度≥10°/s目标的逼近、抓捕、辅助稳定、回收以及拖曳变轨等任务[11]。其研制的系绳张力机构如图8所示。

图8 系绳张力机构原理图Fig.8 Schematic diagram of the tether tension mechanism

空间飞网机器人主要是利用收口质量块的弹射以及收口实现飞网的展开和合拢，对目标整体进行包络捕获，且对控制精度的要求低，具有可靠的捕获能力。绳矛能通过初始的速度击穿目标的部分结构，并利用倒刺结构牢固锁住目标，捕获成功率较高。空间绳网和空间绳矛这种空间绳系系统在轨捕获技术的成功验证为空间非合作目标的捕获提供了新的手段。

2.1 目标捕获技术

目标捕获是空间绳系系统主动碎片移除的关键技术之一，传统的空间机器人或服务航天器对接是在轨捕获合作目标的重要手段，这种空间操作手段可靠性高，并且得到了多次验证，技术成熟度很高。但操作范围有限，需要空间机器人或服务航天器充分抵近目标，针对旋转等不稳定非合作目标的操作时，具有极大的困难，并且安全性难以保证，目前国内外尚未有成功先例。空间绳网、空间绳矛以及空间绳系机器人则为在轨捕获非合作目标提供了可行的技术手段。在目标捕获过程中，空间绳系机器人重点关注导航、释放逼近、捕获及捕获后稳定问题。空间绳网机器人则重点关注飞网展开以及目标捕获过程中的碰撞稳定控制方面。

在空间绳系机器人视觉导航方面：Chen等[13]针对空间绳系机器人对非合作目标的抓捕区域定位问题，提出了一种抓捕区域预测方法，该方法可以大大减小目标搜索区域。空间绳系机器人超近距离逼近阶段由于相机视场限制难以获取特征点，进而容易导致传统的基于特征点的测量方法失效，文献[14]针对该问题提出一种仅利用卫星支架边缘线的视觉伺服控制方法。孟中杰等[15]给出一种基于直线跟踪的混合视觉伺服控制方法，该方法仅需获取太阳帆板支架的边缘线图像信息，可以保证绳系机器人逼近至目标卫星的帆板支架处。

在空间绳系机器人释放逼近方面：Huang等[16]针对空间绳系机器人的最优逼近控制问题，建立了空间绳系机器人姿轨耦合动力学方程，采用自适应伪谱法以燃料消耗最少为指标规划了最优轨迹，并且设计了协调控制方法。黄攀峰等[17]提出一种基于速度增量的逼近最优轨迹规划方法，该方法是利用空间绳系机器人上执行机构提供速度增量的方式进行轨迹规划及最优化，可广泛应用于航天器转移轨道优化、轨道机动、交会对接等空间任务中。翟光等[18]研究了空间飞网机器人对目标近距离最优逼近问题，重点考虑安全性和燃料消耗最少指标，采用线性规划方法规划出了逼近最优轨迹，并用仿真验证了其合理性。Hu等[19]针对空间绳系机器人近距离逼近任务设计了动态逆控制器，在控制器设计中采用了一种超扭滑模观测器对未知干扰和模型不确定进行估计，仿真结果表明在该控制方法下，空间绳系机器人达到了很好的对目标跟踪效果。Ma等[20，21]研究了空间绳系机器人的释放问题，建立了空间绳系机器人离散动力学模型，并采用滑模控制实现了该系统的稳定释放。Zhang等[22]针对空间绳系机器人对非合作目标逼近过程中视觉相机对距离信息测量偏差较大的问题，提出了一种仅需要测量视线角的逼近控制方案，通过离线运动规划以及模型预测控制等实现了仅测量角度信息情况下对非合作目标的可靠逼近。

捕获及捕获后稳定方面：黄攀峰等[23]针对空间绳系机器人系统的模型不确定性问题，利用神经网络对不确定性进行估计补偿，设计鲁棒项对空间系绳干扰和神经网络估计误差的影响进行抑制，在此基础上设计目标抓捕鲁棒自适应稳定控制器。Lu等[24]考虑控制输入约束、系绳振荡和系绳张力干扰等因素，提出了一种双闭环终端滑模控制方法。他又进一步考虑捕获后组合体的模型不确定性和状态约束的影响，提出了一种基于障碍李亚普诺夫函数的神经网络动态面控制方法[25]。Wang等[26]设计了一种协调控制策略，将设计的控制律分配至绳系空间机械臂、系绳以及推力器上，完成捕获后组合体的消旋稳定控制。此外，Huang等[27]设计了一种自适应反步控制方法来实现组合体的稳定控制。

在空间绳网机器人展开以及碰撞稳定控制方面：张帆等[28]针对一类带有四个自主机动单元的空间飞网机器人运动特性进行了分析，探讨了无控制输入情况下网型折叠形式、以及初始时刻自主单元的弹射条件对网型展开特性的影响；而后针对连接主系绳与外部扰动的影响，提出了一种结合自适应模糊逼近器的超扭滑模控制方法，达到了减小控制器抖振的同时对飞网机器人展开过程精准控制的要求。Botta[29，30]充分研究了飞网展开和捕获阶段的动力学特性，并对抓捕碰撞进行建模对圆柱形碎片进行了捕获模拟，并考虑了多种任务场景下飞网对目标的捕获。

绳网捕获手段利用网子包裹并紧密缠绕目标，实现对目标的捕获。其包络范围大，捕获成功率较高。但捕获后，网子和目标构成组合体，难以分离。绳矛系统结构最为简单，可广泛适用于空间碎片的捕获。但最大的问题是会破坏目标结构，并极易产生较小的更难处理的空间碎片，造成二次污染。绳爪捕获手段通过刚性爪状捕获器对目标特定结构进行抓捕并锁紧，实现对目标的捕获。这种捕获手段一般不会对目标产生破坏，并且在任务结束后还能够与目标脱离，并回收，可重复利用。但缺点是系统复杂，控制难度较高，并且需要目标具有特定结构，如杆状或柱状结构以供抓捕锁紧。

2.2 目标离轨

目标离轨是空间绳系系统主动移除碎片的另一项关键技术，现有的目标离轨方式主要有拖曳离轨和电动力系绳离轨两种。其中拖曳离轨是在完成对目标捕获后，系绳一端连接平台另一端连接目标，形成捕获后的组合体，随后平台通过系绳拖动目标离开现有轨道。但由于捕获后组合体参数未知，且可能存在残余角速度，这给拖曳离轨的稳定控制带来较大困难。电动力系绳离轨系统则首先将系绳按指定方向释放出一定长度，系绳切割地球磁场运动产生电动力，并逐步实现系统离轨。在释放和离轨过程中电动力容易导致系绳振动，甚至导致离轨系统失稳，这是电动力系绳离轨的难点之一。

Aslanov等[32-34]针对一类由太空拖船、系绳与空间碎片构成的空间绳系系统，研究了推力器、气动阻力和重力力矩作用下系统的初始条件和运动参数、推力、系绳长度、空间碎片惯量等对绳系系统运动的影响，以及剩余燃料对太空拖船系统拖曳过程中的动力学特性的影响。Zhong等[35]针对空间拖船系统通过霍曼转移将空间碎片从地球静止轨道转移至坟墓轨道的最优控制问题，给出了一种滑模闭环控制方案。Qi等[36]提出了一种双系绳空间拖船概念，并研究了其动力学和控制问题，研究了系统处于地球圆轨道下平衡解的存在性和稳定性，理论分析和数值仿真表明，当系绳为短系绳时存在两个水平平衡解，当系绳变长时，其稳定性会变差。当系绳长度大于一定值时，其可行解和不可行解有三个，其中两个为稳定的倾斜解和一个不稳定的水平解。Meng等[38]针对系绳拖曳旋转目标时出现的系绳摆动问题，设计了一种基于阻抗控制的摆动抑制控制律，可有效避免系绳缠绕现象的发生。Wang等[39]针对偏心捕获空间碎片的姿态控制问题，通过移动系绳连接点可以仅利用系绳实现稳定控制。

黄静等[40]针对近地轨道电动力绳系统系绳展开控制问题开展研究，建立了考虑系绳质量的近地轨道二体电动力绳系卫星系统动力学模型。考虑系绳张力与电流存在约束的条件下，提出了一种基于反步法结合抗饱和函数和辅助函数的控制律，并引入动态尺度广义逆实现了系绳的稳定释放。Williams[41]针对电动力系绳离轨控制问题开展研究，将系绳张力控制和电流控制相结合给出一种非线性混合控制律，并通过移动系绳连接点来抑制横向不稳定性。此外他还提出一种振动能量反馈控制率实现系统离轨过程稳定控制[42]。

拖曳离轨是空间绳网机器人、空间绳系机器人和空间绳矛捕获目标后离轨的通用技术，离轨方式适用于低、中高轨目标，缺点是需要消耗空间平台的燃料。电动力系绳离轨方式成本低且不需要消耗燃料，但对空间碎片进行捕获并安装电动力系绳离轨系统必不可少，另外系统需要运行在电离层中，适用于低轨目标。

3 结论

为保障空间活动的可持续性和安全性，空间碎片主动移除势在必行。空间绳系系统能够适用于低轨、中轨以及高轨的空间碎片移除任务，并能够根据不同任务场景和要求找到合适的解决方案，对于空间碎片主动移除具有广阔应用前景。尽管已经开展了丰富的理论研究和地面试验，但空间试验较少，技术成熟度较低，需要充分的空间试验来验证各项技术。另外空间碎片主动移除具有巨大的商业市场需求，可以鼓励资本参与，引导和鼓励相关技术的发展，抢占空间碎片主动移除技术制高点，积极开拓国内和国际市场。