[发明专利]基于相对椭圆构型的空间翻滚目标间歇接触式消旋方法

说明书

本发明公开了一种基于相对椭圆构型的空间翻滚目标间歇接触式消旋方法，包括：从安全角度出发，基于空间翻滚目标和空间消旋机器人的包络体确定消旋接触点位置；以对平台影响最小的原则确定空间消旋机器人机械臂构型；依据消旋接触点位置和机械臂构型确定空间消旋机器人与空间翻滚目标的相对椭圆构型。相对椭圆构型确定了空间消旋机器人与空间翻滚目标的相对位置姿态关系，可以使得空间消旋机器人的末端执行器在相对轨道动力学的作用下，周期性地接触目标，对目标施加消旋力和消旋力矩，实现对目标的消旋。本发明可以最大程度的利用相对轨道的周期性和悬停特点，实现对空间目标安全有效的消旋。

技术领域

本发明涉及一种基于相对椭圆构型的空间翻滚目标间歇接触式消旋方法，属于航空航天技术领域，用于空间消旋机器人抵近接触消旋空间翻滚目标，有助于在轨服务的顺利实施和空间碎片的主动清除。

背景技术

从1957年人类进入航天时代开始，空间碎片数量就远远多于正常运行的卫星数目。据统计，截止到2019年1月，人类共进行了约5500次发射，地球轨道上有19404个大型物体，包括4972个卫星和14432个碎片。可见，在这些大型空间目标中，只有大概1/4为卫星，但其中又只有不到1/3是可控的；有约1/5是火箭箭体和其他一些与任务相关的物体，其余的都是不规则的碎片。不断增多的碎片数量，极大地威胁着现有卫星以及后续航天任务的安全。对空间碎片进行主动清除的前提条件是碎片与平台之间的相对角速度在一定程度范围内。但这些碎片通常带有复杂的姿态运动，包括自旋、进动章动、无规则翻滚等，极大地影响了主动清除。因此，在主动清除之前需要对碎片进行消旋，使得其姿态处于一种较为稳定的状态。

消旋可以分为相对消旋和绝对消旋。相对消旋就是不改变目标的运动状态，利用空间消旋机器人自身的调整能力，改变自身的运动状态，进而实现满足相对运动状态约束，例如从目标自旋轴方向接近就是一种典型的相对消旋策略。而绝对消旋则是通过空间消旋机器人与目标之间的直接或间接的相互作用，改变目标运动状态，使得目标姿态稳定，进而满足捕获条件。从原理上来讲，使得目标消旋的主要操作就是对目标施加额外的力矩，根据力矩来源的不同，消旋可以分为：接触消旋和非接触消旋；根据消旋机构的不同，还可以再进行细分。近年来，国内外就如何对目标进行消旋开展了大量的研究，积累了一定的成果，包括摩擦接触消旋、电磁消旋、静电消旋、喷射消旋、辅助装置消旋以及绳网消旋等等。但从技术成熟度和能耗方面比较来看，这几种方法中，摩擦接触消旋的工程可行性最大。

发明内容

本发明针对在轨服务和空间碎片清除对空间目标姿态运动的稳定性需求，通过结合服务卫星相对于目标的运动规律特点，提出了一种基于相对椭圆构型的空间翻滚目标间歇接触式消旋方法，该方法中给出的一种基于相对椭圆构型的间歇接触式消旋构型，可以最大程度的利用相对轨道的周期性和悬停特点，实现对空间翻滚目标安全有效的消旋，进而为在轨服务和空间碎片清除的顺利实施奠定基础。该构型策略可以避免空间消旋机器人在抵近操作目标过程中的复杂轨道姿态机动，降低消旋过程的风险，提高消旋成功的可行性。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

本发明公开了一种基于相对椭圆构型的空间翻滚目标间歇接触式消旋方法，包括：

步骤一：从安全角度出发，基于空间翻滚目标和空间消旋机器人的包络体确定消旋接触点位置；

步骤二：以对空间消旋机器人影响最小的原则确定空间消旋机器人机械臂构型；

步骤三：依据步骤一给出的消旋接触点位置和步骤二给出的机械臂构型确定空间消旋机器人与空间翻滚目标的相对椭圆构型。

所述步骤一中的安全角度包括：在选定接触点进行接触消旋时，产生的接触力和接触力矩不会对消旋机器人和空间翻滚目标造成损害；所述接触力和所述接触力矩由柔性刷的挠性变形及其与目标表面的相对摩擦产生，通过材料力学中的轻质杆模型和摩擦力学的库仑摩擦力模型来进行计算；