[发明专利]针对空间自旋目标抓捕及消旋的地面物理仿真试验方法

说明书

为了解决现有空间目标的力学状态模拟存在试验流程与在轨状态不一致的问题，本发明提供一种针对空间自旋目标抓捕及消旋的地面物理仿真试验方法，属于空间操控系统及空间目标的地面零重力模拟领域。本发明包括：利用六自由度模拟器模拟空间目标自旋状态，利用气浮和喷气模拟服务飞行器的三自由度运动及零重力状态；六自由度机械臂携带自旋跟踪手爪装置对自旋的空间目标的自旋角速度及自旋轴进行跟踪及抓捕；抓捕过程中的角动量传递至服务飞行器，采用反向喷气消旋；实现在轨抓捕和消旋的实际流程进行完整一致地模拟。

技术领域

本发明涉及一种在地面重力环境下对空间自旋目标实施抓捕和消旋的试验方法，属于空间操控系统及空间目标的地面零重力模拟领域。

背景技术

近年来，地球轨道空间特别是中低轨道空间的失效卫星数量和空间碎片数量随着人类宇航任务的逐渐增加也出现了近乎井喷式的增加，这些太空垃圾对于人类后续的宇航任务和在轨正常运行的飞行器来说都存在着巨大的威胁；太空垃圾中的某些目标还带有较为高速的自旋属性，角动量较大，极易解体或产生碰撞而产生更多空间碎片。因此，加快在轨抓捕任务的相关研究工作非常迫切，但针对空间非合作自旋目标的在轨抓捕目前尚未成功实施过，而开展在轨捕获任务之前，在地面进行相关的物理仿真试验是非常必要的。开展地面物理仿真试验需要克服重力等因素带来的动力学特性不准确等影响，确保试验对象的力学状态与在轨状态有较高一致性，同时，应设计与在轨操作相一致的试验流程，并采用相关信息采集与测量系统对控制算法的有效性进行评估。

目前对于空间目标的力学状态模拟大多采用悬吊法、水浮法与气浮法等，其中气浮法由于其相对成本较低、可重复试验性强等优势而被较多采用。但对于空间目标的力学状态模拟存在自由度模拟不全的局限，大多只能模拟平面三个自由度或除去重力方向的五自由度模拟；另外，由于试验条件或零重力实现程度的限制，试验流程与在轨状态不能达到一致，对于控制算法的验证参考意义较小。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有空间目标的力学状态模拟存在试验流程与在轨状态不一致的问题，本发明提供一种针对空间自旋目标抓捕及消旋的地面物理仿真试验方法。

本发明的针对空间自旋目标抓捕及消旋的地面物理仿真试验方法，所述方法基于地面物理仿真试验系统实现，所述系统包括服务飞行器模拟装置、六自由度机械臂10、自旋跟踪手爪装置、六自由度目标模拟器和地面控制器7；

服务飞行器模拟装置，用于利用喷气和气浮模拟服务飞行器在平面内前后、左右以及偏航三个自由度的零重力状态，还用于利用喷气消除在抓捕过程中产生的角动量；

六自由度机械臂10的一端与服务飞行器模拟装置底部连接，六自由度机械臂10的另一端与自旋跟踪手爪装置的顶端连接；

六自由度目标模拟器，用于模拟空间目标六自由度零重力下的自旋状态；

所述试验方法包括如下步骤：

步骤一：地面控制器7控制六自由度目标模拟器模拟空间目标六自由度零重力下的自旋状态；

步骤二：地面控制器7控制服务飞行器模拟装置气浮，使其处于零重力状态下；

步骤三：自旋跟踪手爪装置对模拟的自旋的空间目标的自旋角速度及自旋轴进行跟踪，获得空间目标的自旋角速度和自旋轴；

步骤四：六自由度机械臂10带动自旋跟踪手爪装置运动至空间目标的自旋轴上方，自旋跟踪手爪装置起旋至与空间目标相同的自旋角速度，自旋跟踪手爪装置收拢抓捕手爪14，完成对自旋空间目标的抓捕；

步骤五：自旋跟踪手爪装置的刹车机构12脉冲式抱闸，利用步骤六消旋，直至服务飞行器模拟装置采集不到角速度信息，完成消旋；

步骤六：服务飞行器模拟装置采集角速度信息，根据该角速度信息获得角动量，服务飞行器模拟装置采用反向喷气的方式，实现该角动量的消除。

优选的是，