|
空间目标在轨软接触技术 本书特色
随着空间技术的快速发展，空间在轨维修与保障已成为国际战略竞争新的制高点。世界主要大国纷纷制定空间发展战略，大力推进航天技术的发展与革新，为争夺空间优势展开激烈的竞争。在空间体系结构变革的牵引下，空间感知、轨道机动和在轨操作维护能力等已成为空间技术研究领域的重点发展方向。其中，空间目标在轨接触是在轨操作的前提和基本环节，是实施在轨维修、在轨装配、在轨碎片清除等空间任务的基础，其技术研究已得到美俄等航天大国高度关注，深化该领域的研究将对推动空间系统体系变革具有重要作用。 随着空间技术的快速发展，空间在轨维修与保障已成为国际战略竞争新的制高点。世界主要大国纷纷制定空间发展战略，大力推进航天技术的发展与革新，为争夺空间优势展开激烈的竞争。在空间体系结构变革的牵引下，空间感知、轨道机动和在轨操作维护能力等已成为空间技术研究领域的重点发展方向。其中，空间目标在轨接触是在轨操作的前提和基本环节，是实施在轨维修、在轨装配、在轨碎片清除等空间任务的基础，其技术研究已得到美俄等航天大国高度关注，深化该领域的研究将对推动空间系统体系变革具有重要作用。
当前，美俄等航天大国对于在轨接触技术领域的研究，主要集中在对专用对接机构、空间机械臂、绳系终端、飞网、电磁连接等领域开展理论和技术试验研究。上述研究成果基本可以分为三大类：一是专用机构接触技术，成熟度较高，但只适用于与合作目标进行对接，接触方式单一；二是空间机械臂技术（以美国“轨道快车”项目为代表），要求两个航天器相对位姿保持精度高，接触时不能存在大扰动，适用于合作目标；三是各种啡直接接触新技术，例如，绳系终端和飞网技术（以ESA“Roger”项目为代表），利用柔性绳索结构的飞网捕获空间目标航天器，该技术通常只适用于在轨失效航天器或空间碎片，对空间目标具有一定破坏性。再如，空间电磁操控技术（以华盛顿大学的“在轨自主服务卫星”为代表），利用安装在航天器上的电磁装置（产生电磁力大小及方向）来控制目标航天器，该技术只适用于合作目标，对非合作目标不适用。
从在轨服务未来应用需求来看，更需要提供一种能够同时兼顾合作／非合作目标的在轨接触技术，非合作目标可能是处于在轨工作的各种航天器，也可能是失效卫星或空间碎片。换言之，就是要提供一种具备在空间目标处于各种工作状态下的在轨接触新技术。目前来看，上述第三类技术主要侧重于非接触式在轨目标操控，应用范畴较为单一，尚不能支撑上述需求，该技术不是《空间目标在轨软接触技术》讨论重点。上述第1类和第2类技术属于直接接触式操控技术，是目前空间操控领域主要研究和应用的技术，尽管存在很多技术局限，但其应用形式有其更大的发展空间，是研究未来在轨接触新技术的基础。
面向未来在轨服务需求，对第1、2类技术存在的局限分析如下：在该两类技术研究中，主航天器通常采用单／多刚性机构（如空间机械臂）对空间目标实施在轨接触操作，其接触形式通常采用单／多刚体机构对接耦合，这类在轨操作方式《空间目标在轨软接触技术》中称为“硬接触技术”。该技术对空间目标操作条件非常苛刻，操控方法和手段稍有不当，将引发主航天器和空间目标翻滚失控，直接导致在轨操作任务失败，甚至彻底毁坏。在轨硬接触技术存在的根本问题是：主航天器所携带的空间接触装置通常是由单刚杆（如专用对接机构）或多刚性臂杆级联（空间机械臂）构造而成，利用该类刚性机构实施空间目标接触操作时，必须要求对空间目标相对位姿保持高精度稳定，且需要关闭主航天器姿轨控制系统（在轨操控接触过程中，姿轨控制系统通常需要关闭，这是为了避免接触过程中的扰动量引发主航天器单独实施姿态稳定控制，进而影响操控接触机构的路径规划系统正常工作），正是由于此时姿轨控制系统已关闭，无法实施姿态调整，才要求主航天器和空间目标在轨接触的瞬间及整个接触过程不能出现任何异常的位姿扰动（如空间目标产生较大的碰撞动量、空间摄动等）。否则，将在空间目标接触部位产生较大的碰撞动量，该动量将通过硬接触机构（多刚性或单刚杆）直接传递至主航天器本体，致使主航天器本体发生运动速度突变。当前在轨操作硬接触技术带来的一系列苛刻操作条件，极大地限制了在轨操作能力的提升和对空间目标的应用范围。
要解决在轨硬接触技术存在的问题，就需要提出一种新的概念和技术方法，实现刚性接触碰撞动量“软传递”的问题，突破制约现有在轨操作的技术瓶颈，提升在轨操作的应用能力。这种概念和思路，《空间目标在轨软接触技术》将其定义为“在轨软接触技术”。《空间目标在轨软接触技术》作者认为：空间目标在轨软接触技术将是未来航天操控*重要的发展方向之一。未来航天器一旦携带软接触机构，即可以对空间合作／非合作目标开展在轨接触操作，而且这种操作一方面将减缓对相对位姿测量、相对位姿保持等苛刻条件的约束；另一方面将使得主航天器和空间目标在姿轨控制系统正常工作的条件下（目前只能在姿控系统关闭状态下才能开展空间目标接触）实施在轨接触操控。以上两个方面能力的提升对于拓展在轨操作实际应用意义非常重大，尤其是对开展非合作目标（无论空间非合作目标是处于工作还是失效失控条件下）接触操控更具有现实意义。
空间目标在轨软接触技术 目录
**篇 在轨软接触技术概念与机理
第1章 绪论
1．1 引言
1．2 在轨接触技术进展
1．2．1 在轨接触技术试验现状
1．2．2 在轨接触领域技术进展
1．2．3 在轨接触空间机器人技术进展
1．3 现有技术差距分析与发展需求
1．3．1 技术差距分析
1．3．2 软接触技术发展需求
1．4 在轨软接触技术的研究价值和意义
第2章 在轨软接触技术概念
2．1 在轨软接触技术的概念内涵
2．1．1 概念背景分析
2．1．2 概念内涵
2．1．3 核心思想
2．2 在轨软接触概念情景构设与行为分析
2．2．1 需求的情境因素
2．2．2 需求情境因素的敏感性分析
2．2．3 软接触行为分解及约束条件分析
2．2．4 软接触技术特性分析与综合评价
第3章 在轨软接触技术机理
3．1 软接触技术机理要素框架建立
3．2 软接触技术机理要素的联合求解
3．2．1 并行联合求解方法
3．2．2 串行联合求解方法
3．3 软接触技术机理判别准则建立
3．3．1 机构运动路径规划准则
3．3．2 接触动量控制准则
3．4 软接触技术机理仿真验证与评价
3．4．1 路径规划仿真验证
3．4．2 动量控制仿真验证
第4章 在轨软接触机理模型参数的定义与求解
4．1 工作空间求解
4．1．1 构型模型求解
4．1．2 工作空间定义
4．1．3 工作空间分析
4．2 灵活度求解
4．2．1 机构灵活度定义
4．2．2 机构末端T点的灵活度分析
4．3 控制复杂度求解与分析
4．4 软接触机理模型约束参数求解
4．4．1 机理模型约束参数方程建立
4．4．2 机理模型约束参数综合求解
4．4．3 机理模型参数的优化与确立
第5章 在轨软接触机理模型设计
5．1 柔性可控阻尼模型设计
5．1．1 磁流变特性分析
5．1．2 柔性可控阻尼设计
5．2 基于仿生学的软接触机理模型设计
5．2．1 仿生学设计基本思想
5．2．2 仿生学设计的借鉴与不足
5．2．3 基于仿生学的臂杆模型设计
5．2．4 基于仿生学的关节模型设计
……
第二篇 在轨软接触模型运动学与动力学方程
第三篇 在轨软接触机构路径规划方法
第四篇 在轨软接触机构刚柔复合控制方法
第五篇 在轨软接触技术验证
参考文献
|
