基于空间绳系机器人的失稳目标拖曳变轨方法研究

With the booming space exploration, deorbiting the unstable targets represented by defunct satellites has been a gaining concern. Compared to conventional orbital transfer methods，towing transfer using the tethered space robot (TSR) features high safety and low fuel-consumption. However, the transfer issue is complicated extremely by the flexible-rigid combination dynamic and single-side driving mode. This results in three main technical challenges to be tackled, relative position-attitude control, avoidance of entanglement and collision. To solve those problems, the dynamic model of towing transfer system is first established taking into account the flexibility, elasticity and mass of tether, attitude of the two end bodies, flexible appendages and residual fuel slosh. The essential properties and dynamic coupling of "bounce-back", "libration", "tail wagging" and "whiplash" are analyzed. Accordingly, for the avoidance of collision and tether slackness, a multi-impulse self-rotation orbital transfer method is proposed and its orbit optimization problem of unknown target is studied. Finally, an orbit tracking and libration suppression method is developed using platform thrust, attitude maneuver and reeling in/off tether. An underactuated attitude control of target satellite using only tether is proposed to avoid entanglement and solve the relative position-attitude control problem. The ground-testing experiment is implemented to substantiate the validity of the proposed method. This work is aimed to propose a safe and efficient disposal for deorbiting the unstable space target, paving the way for the development and application of TSR.

随着航天的快速发展，以废弃卫星为代表的失稳目标辅助变轨需求越来越迫切。相较传统的辅助变轨方式，利用空间绳系机器人拖曳变轨具有安全性高、燃料消耗低等优点。但其复杂的刚柔组合动力学和单端推力驱动方式导致变轨问题十分复杂，需要解决防缠绕、防碰撞、相对位姿控制三大难题。本项目首先建立考虑系绳柔性/弹性/分布质量、两端刚体构型、挠性部件振动、残余燃料晃动、轨道摄动等因素的拖曳变轨动力学模型，分析反弹、摆动、尾摆、鞭打等动力学行为的本质及耦合关系；然后，提出一种多脉冲推力拖曳自旋变轨方法以避免碰撞及系绳松弛，并研究未知目标特性下的轨道优化问题；最后，提出一种利用变轨推力、姿态机动、系绳收放的轨道跟踪和系绳摆动抑制方法及仅用系绳的目标星姿态欠驱动稳定控制方法，解决防缠绕和相对位姿控制难题，并进行地面实验验证。为空间失稳目标的辅助变轨提供一种安全、高效的解决手段，并为空间绳系机器人的发展和应用奠定基础。

针对迫切的空间失稳非合作目标卫星辅助变轨需求，项目提出一种新型高效、安全性高的绳系拖曳变轨方法，并针对其核心关键难题开展研究攻关。首先充分考虑系绳柔性、半弹性和分布质量特性，建立了综合考虑两端姿态运动、挠性部件振动、残余燃料晃动、轨道摄动等因素的绳系拖曳变轨动力学模型，分析了绳系拖曳系统动力学特性，明确了反弹/摆动/鞭打/尾摆现象的动力学本质及其耦合关系，研究了绳系拖曳参数对动力学特性影响等。然后完成了基于多脉冲、连续小推力等多种绳系拖曳轨道设计方法，特别是利用系绳动力学本质，创新提出一种单端推力起旋、旋转自由飞行、剪断系绳机动三阶段的拖曳旋转变轨方案，并建立了完备的轨道设计与优化方法。在此基础上，开展了拖曳变轨的控制难题攻关。针对防碰撞问题，考虑轨道摄动及其他未知扰动，设计了通过收放绳稳定两端卫星质心距间接调节张力的模型预测控制方法，实现张力跟踪控制并研制了原理样机。针对防摆动问题，全面考虑输入受限和全状态约束问题，设计了基于动态面的神经网络自适应控制等多种控制方法，实现了系绳摆动抑制。针对防尾摆问题，提出了利用推力器、推力器/系绳协调、仅利用系绳等多种控制方案。尤其是，首次创新提出仅利用系绳控制的方法，创新设计了系绳连接点摆动机构、系绳连接杆伸缩机构两种执行机构，设计欠驱动控制方法，通过系绳偏置调节张力力矩，实现目标星的姿态辅助稳定，有效防止拖曳尾摆。最后，在各单项研究的仿真试验验证基础上，联合动力学模型、轨道优化、拖曳控制，建立完整的绳系拖曳变轨仿真系统并进行综合验证。项目提出并攻克的绳系拖曳变轨，为我国未来空间目标的辅助变轨提供一种安全、高效的解决手段，可广泛应用于轨道垃圾清理、失效卫星移除、卫星辅助变轨等多种类型的空间任务中，具有广阔的应用前景。