空间大尺度可变构型智能结构体创新设计与在轨操控方法研究

China will go on to launch and execute the new major space scientific programs in the following years, such as manned spacecraft, deep-space planetary exploration, on-orbit service, etc. The demands for space mechanisms with large-scale operational capability become more and more urgent. This project uses the large-scale capturing operation of non-cooperative space target as the application background, and uses lightweight, high reliability，high stability as the research goals, the innovative research on novel design and on-orbit operational control of structural mechanisms with multiple closed loops and multiple mobility will be carried out. Through the variable-configuration design and large-scale reconfigurable design of the space truss mechanisms, the systematic innovation design theory and methods for space large-scale variable-configuration intelligent structure systems is to setup, the basic dimensional transformation principles of large-scale space structural mechanisms are developed, the influence law of nonlinear dynamics characteristics are revealed, the distributed hybrid actuation scheme with multiple actuation sources is proposed, the bottleneck issues of the autonomous motion planning and on-orbit manipulation for space large-scale structure systems are to be solved, the design platform integrated into modeling, simulation and optimization is developed. This project will develop outstanding breakthroughs and innovations in the key scientific and technical issues such as variable topology design, dynamic analysis and on-orbit operational control for the large-scale structure systems. It will also provides theoretical basis and technical reserves in the key fields of on-orbit applications in the national defense areas, such as space attack-defense, space garbage recycling etc.

随着我国对载人飞船、深空探测、在轨服务等重大航天工程的陆续实施，对可实现空间大范围操控的宇航空间机构的需求越发迫切。本项目以空间非合作目标捕获等大范围操控作业为背景，以实现轻量化、高可靠性、高稳定性为目标，围绕空间桁架式多环、多活动度机构-结构系统的创新设计与在轨操控开展创新研究。通过对空间桁架式结构体的可变构型设计以及大尺度重构，构建空间大尺度智能结构体的创新设计理论体系与方法，阐明宇航大尺度结构体空间维度变换基本原理，揭示其非线性动力学特性影响规律，实现对空间结构体的多源混合分布式驱动控制，突破空间大型结构体的自主运动规划与在轨操控瓶颈问题，构建集建模、仿真与优化于一体的综合分析与设计平台。本项目在空间大型结构体可变构型设计、动力学分析与在轨操控等关键科学与技术问题上获得重大突破和创新，为其在空间攻防、太空垃圾回收等国防重点领域的在轨应用提供理论依据与技术储备。

本项目以实现空间非合作目标的捕获为背景，重点研究了桁架式变胞抓取机构的构型综合方法、运动学与动力学分析方法、空间环境下的热力耦合分析与多目标优化方法、动态目标抓捕控制与规划方法等，构建了空间大尺度桁架式变胞抓捕机构的设计方法体系。项目的主要成果如下：基于变胞关节自由度分岔特性设计了一类具有折叠、展开和抓取等多种构态的变胞机构，研究了机构模块化联动方法，构造出了不同特性的大尺度可变构型桁架式结构体。提出了可展开变胞抓取机构的构型综合方法，针对大尺度多环机构的动力学建模难题，提出了基于递归牛顿欧拉方法的高效动力学建模方法。提出了轻量化自感知螺旋型尼龙纤维驱动器设计方法，建立了螺旋型尼龙纤维的受热致动模型及热电模型，通过激光测距传感器实现了对尼龙纤维智能材料输出长度的闭环控制。提出了基于多场耦合的大尺度复杂结构体动力学分析和构型优化方法。基于Hypermesh、TMD和Abaqus三种软件及计算模块，完成了桁架式可展开抓取机构对于不同形状目标的抓取作业的联合仿真。提出了基于自适应扩张状态观测器的可展开抓取机构自适应鲁棒运动控制方法，并对基于模型和基于自适应扩张状态观测器的展开抓取协调运动控制方法进行了实验验证。提出了一种最优包络抓取规划方法，完成了闭链抓取实验。搭建了仿生章鱼抓取机械手实验平台，机械手安装在6自由度UR机械臂的末端，利用机械臂模拟了机械手的在轨运动，通过吊绳的方式实现了微重力动态目标模拟，机械手依次完成了展开运动、变胞运动、抓取-放置运动，验证了抓捕机械手的抓取性能。本项目在空间大型桁架式抓捕机构的构型设计方法、运动学与动力学分析方法与在轨操控等关键科学与技术问题上获得重要进展，为其在未来空间攻防、太空垃圾回收等国防重点领域的在轨应用提供了理论依据与技术储备。