面向在轨捕获的多维软对接机构动力学机理与群集镇定策略

The on-orbit capture level represents the highest level of space rendezvous and docking technology. The existing hard-docking mode has the disadvantages of high operating conditions and high risk, and the exploration of better catch docking mode has become the the top priority for sustainable development and succession of China's manned spaceflight project..In this project, a generalized model of soft docking mechanism with multi-dimensional buffering energy is proposed by designing modular joints with decoupling damping. The rigid-flexible coupling dynamics of floating complex with closed-link distributed damping is established. The inherent equation between the controllable parameters and the target response in the complex would be clarified. Under the framework of the cluster cooperative control theory, the synchronization of the global actuator parameters of the soft docking mechanism is completed, and then the cluster stabilization strategies under the multi-constraint condition is proposed to achieve rapid stabilization after on-orbit capture. The research of this project will provide a complete and systematic scientific theory and method for on-orbit capture and rendezvous docking.

在轨捕获水平代表了空间交会对接技术的最高水平，现有的硬对接模式存在操作条件苛刻和风险程度高的弊端，探索更优的捕获对接模式已成为我国载人航天工程持久发展和后继接续的当务之急和重中之重。.本课题拟面向在轨捕获操作任务，通过设计具有解耦阻尼的模块化关节，提出一种多维缓冲吸能的软对接机构广义模型；建立封闭链路分布阻尼漂浮复合体的刚柔耦合动力学方程，探索复合体内部的可控参数与目标响应之间的内在机理；在群集协同控制理论的框架下，开展软对接机构全局作动器参数的同步寻优，进而提出多约束条件下的群集镇定策略，以实现在轨捕获后复合体的快速稳定。本课题的研究将为在轨捕获和交会对接提供一套完整且系统的科学理论和方法。

在轨捕获是空间交会对接领域的关键技术，当前的硬对接模式存在操作条件苛刻和风险程度高的弊端，因此需要针对在轨软对接技术开展深入研究，以实现空间非合作目标的柔顺捕获和可控操作。.本项目面向在轨捕获操作任务，设计了一种具有多维解耦阻尼的模块化关节，具备刚/柔双模转换操作和空间六维接触力缓冲和动量卸载能力。基于虚拟样机技术建立由目标航天器和服务航天器两部分组成的非合作目标对接碰撞模型，通过刚柔对比实验，充分验证软对接关节的柔顺性能，即在降低接触碰撞力峰值、延长对接接触时间和避免服务航天器漂浮基座失稳的优越性。提出了一种多维缓冲吸能的软对接机构广义模型，建立了封闭链路分布阻尼漂浮复合体的刚柔耦合动力学方程，明确了复合体内部的可控参数与目标响应之间的内在机理。构建了全向柔顺服务航天器数值仿真模型，在软对接关节末端施加空间六维接触力，通过测量全向柔顺机构中各自由度和基座的运动，验证了所设计软对接机制和阻尼镇定机制的有效性。最后，在群集协同控制理论的框架下，开展软对接机构刚度和阻尼等全局作动器参数的同步寻优以及软对接机构刚度参数与非合作目标动力学参数的辨识，进而提出以复合体内的关节转角、可控阻尼输出、关节力矩和反作用飞轮输出有界为约束条件下的群集镇定策略，实现在轨捕获后复合体的快速稳定。开展了基于气浮平台的软对接原型样机与数值仿真交互的地面半物理实验，通过激光跟踪仪、六维力传感器、陀螺仪、编码器与线位移传感器等设备在线反馈实物系统的运动学与动力学状态，完成了基于气浮平台的软对接机理、参数辨识与复合体镇定控制策略的实验验证。.本项目的研究成果为利用软对接机构实现在轨捕获和交会对接提供了一套完整且系统的科学理论和方法。