空间绳系机器人系绳张力控制研究

During the process of target capture by space tethered robot, with regard to prevent the capture mission platform and target satellite(or space debris) from collision impact or spin disturbance through tether caused by the velocity difference between them, it is proposed that active retieval of mission platform coordinated by tether tension control with tether tension control device, ensuring that the two spacecrafts can be combined effectively and reliably to achieve the following tasks. Thus the theory of momentum exchange and energy transfer between tethered spacecrafts through tethered mechanism must be discussed under the open enviroment of space, and then the overall scheme, strategy and corresponding technology of collision impact and spin disturbance are studied through control of tether tension. The main contents are: (1) longitudinal static and dynamic model of Kevlar tether; (2)rigid-flexible coupling dynamic model of space tethered robot system and control strategy of tether tension for anti-collision impact and vibration suppression; (3) Model of tether twisting torque transmission and energy dissipation and despun theory of target; (4) Ground simulation technology of space tethered robot and its anti-collision impact and despun. Through these studies, theoretical and practical basis for the capture of space tethered robot is provided.

针对空间绳系机器人捕获目标物过程，为防任务星（任务平台）和目标星（或空间碎片垃圾）两者速度差可能导致的碰撞冲击或自旋等问题，提出通过张力控制装置的收放等张力控制配合任务星的主动牵引等克服上述问题思路，保证两星通过系绳实现有效可靠的联结，使任务星和目标星成为稳定的绳系组合体，完成后续各项作业。为此须探讨空间开放环境下绳系机构动量交换和能量传递的机理，进而研究通过收放等张力控制克服碰撞冲击和旋转的总体方案、策略和相应技术。主要研究内容为：（1）凯夫拉系绳的纵向静动态模型；（2）空间绳系机器人系统的刚柔耦合动力学模型及防碰撞冲击和振动抑制的张力控制策略；（3）系绳的扭拧力矩传递和能量耗散模型及目标物消旋理论；（4）空间绳系机器人及其防碰撞冲击和消旋的地面模拟技术。通过上述研究，为空间绳系机器人捕捉提供理论和实践基础。

本项目针对空间绳系机器人捕获目标物的作业过程，由于任务平台和目标物两者速度差可能导致的碰撞冲击、摆动及自旋等问题，提出了通过张力控制装置的收放等张力控制配合任务平台的机动等克服上述现象的方法，保证两星通过系绳实现有效可靠连接，使任务平台和目标物成为稳定的绳系组合体。主要研究内容及成果有：(1)提出了一种多功能、高效能的系绳张力控制机构。通过论证空间绳网捕获后系统可能存在的多种运动现象，对张力控制机构提出了系绳姿态角、绳长及张力等方面的功能及性能需求，据此研制了张力控制机构原理样机、地面试验样机及工程样机。 (2) 为防止目标物捕获后的初始速度带来的冲击，提出了双闭环张力控制策略实现组合体防冲击的缓冲控制，并进行地面气浮平台模拟试验，验证了控制策略的有效性。(3)建立了空间绳系组合体的摆动模型，提出了组合体面内外摆动抑制方法，并进行了地面试验验证。(4)针对绳网系统的收口过程，提出了一种采用自由导绳套筒和双卷筒卷取的收口机构，并建立了绳网收口过程中3个收口机构绳系编队面内运动模型，仿真分析其运动特点，确定了收口电机驱动准则。(5)试验研究了空间用凯夫拉系绳纵向非线性特性及扭转耗散特性，建立了一种描述非对称迟滞效应的改进Bouc-Wen迟滞模型并提出了一种添加阻尼器的目标物被动消旋方法。