航天器電磁對(duì)接技術(shù)發(fā)展綜述

王波 莊原 劉芃 王寧 韓潤(rùn)奇 朱佳林

(1 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)(2 沈陽(yáng)航天新光集團(tuán)有限公司，沈陽(yáng) 110861)

自20世紀(jì)60年代至今，空間在軌交會(huì)對(duì)接技術(shù)已發(fā)展了50多年，出現(xiàn)過(guò)十幾種空間對(duì)接機(jī)構(gòu)，其中主流的對(duì)接機(jī)構(gòu)形式為碰撞式對(duì)接機(jī)構(gòu)，目前在“國(guó)際空間站”等任務(wù)上仍廣泛應(yīng)用。這種碰撞式對(duì)接機(jī)構(gòu)基于2個(gè)對(duì)接航天器間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)碰撞捕獲對(duì)接，系統(tǒng)流程簡(jiǎn)單可靠，但在對(duì)接過(guò)程中依賴于航天器姿態(tài)軌道控制精度，存在較大的對(duì)接沖擊力，且存在燃料消耗與噴射，可能造成羽流污染，損害鄰近的光學(xué)儀器和敏感器件，同時(shí)消耗大量燃料將限制航天器的在軌服役壽命。隨著對(duì)接載荷的精密化和大型結(jié)構(gòu)的柔性化，為提高對(duì)接過(guò)程的安全性，通過(guò)弱撞擊方式進(jìn)行空間對(duì)接已成為未來(lái)空間對(duì)接技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。電磁對(duì)接作為弱撞擊方式之一，其概念在2000年前后被提出，是指2個(gè)航天器利用電磁力或電磁力矩作為控制力實(shí)現(xiàn)在軌相對(duì)距離和姿態(tài)的調(diào)整并完成最終對(duì)接的技術(shù)。它能有效避免傳統(tǒng)推力器方式所固有的燃料消耗、羽流污染等問(wèn)題，具有非接觸、連續(xù)、可逆及同步控制能力，理論上可實(shí)現(xiàn)航天器間相對(duì)速度為零的弱撞擊式對(duì)接[1-5]。

近十幾年來(lái)，對(duì)電磁對(duì)接技術(shù)做了大量的原理方案探索和試驗(yàn)驗(yàn)證研究，例如NASA聯(lián)合ESA的“低沖擊對(duì)接系統(tǒng)”(LIDS)項(xiàng)目、華盛頓州立大學(xué)的“在軌自主服務(wù)衛(wèi)星”(OASIS)項(xiàng)目、德克薩斯大學(xué)的“電磁力導(dǎo)引的自主對(duì)接和分離”(EGADS)項(xiàng)目等，均開(kāi)展了基于電磁力導(dǎo)引實(shí)現(xiàn)地面一維或二維對(duì)接的試驗(yàn)驗(yàn)證。另外，也有少數(shù)經(jīng)歷過(guò)在軌驗(yàn)證的項(xiàng)目，例如美國(guó)麻省理工學(xué)院的“同步位置保持及重新定位試驗(yàn)衛(wèi)星”(SPHERES)項(xiàng)目在“國(guó)際空間站”內(nèi)成功完成了自主對(duì)接試驗(yàn)。電磁對(duì)接技術(shù)是未來(lái)航天器弱撞擊對(duì)接的解決方案之一，因此，針對(duì)電磁對(duì)接技術(shù)的理論研究和工程實(shí)踐具有重要的意義。本文在分析多個(gè)電磁對(duì)接項(xiàng)目研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，論述了電磁對(duì)接系統(tǒng)所涉及的關(guān)鍵技術(shù)，并對(duì)電磁對(duì)接的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望，可為我國(guó)后續(xù)電磁對(duì)接技術(shù)研究和工程應(yīng)用提供參考。

1 電磁對(duì)接項(xiàng)目發(fā)展情況

目前，對(duì)空間電磁對(duì)接技術(shù)已有大量的探索。從研究進(jìn)展方面來(lái)看，電磁對(duì)接技術(shù)并不成熟，尚未得到大規(guī)模的在軌應(yīng)用，研究大多處在地面試驗(yàn)驗(yàn)證階段，也有少數(shù)經(jīng)歷過(guò)在軌飛行的搭載驗(yàn)證，同時(shí)新的原理與應(yīng)用構(gòu)想也在不斷出現(xiàn)。

1.1 試驗(yàn)驗(yàn)證階段項(xiàng)目

1.1.1 SPHERES項(xiàng)目

SPHERES項(xiàng)目[6-9]中提出采用電磁裝置輔助2顆微小衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)在軌對(duì)接及鎖緊，并研制了一套通用對(duì)接機(jī)構(gòu)(UDP)，進(jìn)而基于“國(guó)際空間站”艙內(nèi)的在軌環(huán)境完成了考慮避免障礙物碰撞等多種約束條件的自主對(duì)接試驗(yàn)，如圖1所示。

為了實(shí)現(xiàn)較大的對(duì)接容差及機(jī)械載荷傳遞，SPHERES項(xiàng)目采用電磁對(duì)接的方式實(shí)現(xiàn)2顆微小衛(wèi)星之間的柔性捕獲，研制的UDP如圖2所示。該對(duì)接機(jī)構(gòu)主要由電磁鐵、錐桿錐孔和電機(jī)傳動(dòng)組成，利用電磁力實(shí)現(xiàn)逼近捕獲，利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶有錐桿的絲杠實(shí)現(xiàn)連接鎖緊，既能保證柔性大容差對(duì)接，又能完成較大的預(yù)緊力連接。該項(xiàng)目基于電磁對(duì)接技術(shù)深入研究了自主控制對(duì)接和編隊(duì)飛行策略，對(duì)微小衛(wèi)星組網(wǎng)飛行具有重要意義。

圖1 SPHERES衛(wèi)星在“國(guó)際空間站”內(nèi)演示對(duì)接 Fig.1 Docking demonstration of SPHERES satellites in ISS

圖2 SPHERES項(xiàng)目的UDPFig.2 UDP for SPHERES project

1.1.2 “微型自主艙外攝像機(jī)器人”(Mini AERCam)項(xiàng)目

NASA的Mini AERCam項(xiàng)目使用的電磁對(duì)接機(jī)構(gòu)[10-12]，主要是母艦對(duì)球形太空攝像機(jī)器人實(shí)施捕獲和對(duì)接。Mini AERCam電磁對(duì)接機(jī)構(gòu)見(jiàn)圖3，主對(duì)接機(jī)構(gòu)主要由電磁鐵、半球形導(dǎo)引面、相互契合的棘爪結(jié)構(gòu)、球形鎖和電機(jī)驅(qū)動(dòng)的對(duì)接引導(dǎo)結(jié)構(gòu)組成。其工作原理為：在2個(gè)對(duì)接機(jī)構(gòu)進(jìn)入對(duì)接范圍內(nèi)后，電磁鐵通電實(shí)施對(duì)接，球形外部結(jié)構(gòu)很容易在半球形的導(dǎo)引面作用下實(shí)現(xiàn)對(duì)接。在棘爪結(jié)構(gòu)相互接觸后，電機(jī)開(kāi)始動(dòng)作，輔助兩邊的棘爪結(jié)構(gòu)完全契合，對(duì)接期間帶彈簧的球形鎖也起到了加固對(duì)接的作用。在Mini AERCam機(jī)器人需要被釋放時(shí)，電磁鐵磁極反向，同時(shí)配合電機(jī)運(yùn)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的分離。考慮到發(fā)射等對(duì)接載荷較大的情況，僅依靠電磁力和球形鎖無(wú)法保持機(jī)器人與母艦的穩(wěn)固連接，為此，NASA還設(shè)計(jì)了機(jī)器人保持機(jī)構(gòu)，見(jiàn)圖4[9]。機(jī)器人在工作期間可自由飛行拍攝，必要時(shí)可通過(guò)對(duì)接機(jī)構(gòu)與母艦進(jìn)行充電和數(shù)據(jù)交換。該項(xiàng)目在1997年完成了首次在軌驗(yàn)證，之后進(jìn)一步優(yōu)化完善，并在2005年6月進(jìn)行了地面演示驗(yàn)證，成功驗(yàn)證了自主導(dǎo)航、電磁捕獲等相關(guān)技術(shù)，見(jiàn)圖5。

圖3 Mini AERCam項(xiàng)目電磁對(duì)接機(jī)構(gòu)Fig.3 Electromagnetic docking mechanism of Mini AERCam project

圖4 Mini AERCam項(xiàng)目電磁對(duì)接保持機(jī)構(gòu)Fig.4 Electromagnetic docking retention mechanism of Mini AERCam project

圖5 Mini AERCam項(xiàng)目電磁對(duì)接機(jī)構(gòu)地面試驗(yàn)驗(yàn)證

1.1.3 LIDS項(xiàng)目

NASA約翰遜航天中心聯(lián)合ESA研發(fā)了LIDS項(xiàng)目，以適用于未來(lái)航天器高容錯(cuò)性、高適應(yīng)性等目標(biāo)需求。LIDS項(xiàng)目需要在2個(gè)對(duì)接飛行器上分別設(shè)置主動(dòng)對(duì)接子系統(tǒng)和被動(dòng)對(duì)接子系統(tǒng)，通過(guò)電磁力和機(jī)械引導(dǎo)實(shí)現(xiàn)對(duì)接，具有弱撞擊、高對(duì)接精度等優(yōu)點(diǎn)。LIDS項(xiàng)目電磁對(duì)接機(jī)構(gòu)如圖6所示，借鑒在“國(guó)際空間站”上使用的對(duì)接機(jī)構(gòu)，在其基礎(chǔ)上采用機(jī)電一體化設(shè)計(jì)，并應(yīng)用柔性控制技術(shù)，在對(duì)接環(huán)上安裝電磁裝置用于捕獲對(duì)接，能實(shí)現(xiàn)低速捕獲和主動(dòng)捕獲，提高對(duì)接捕獲性能。

圖6 NASA LIDS項(xiàng)目電磁對(duì)接裝置

1.1.4 OASIS項(xiàng)目

美國(guó)華盛頓州立大學(xué)的OASIS項(xiàng)目，主要對(duì)衛(wèi)星的在軌自主服務(wù)概念和相關(guān)技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證[13]。該項(xiàng)目包括2顆衛(wèi)星，分別為提供在軌服務(wù)的驗(yàn)證服務(wù)衛(wèi)星(DSS)和接受在軌服務(wù)的驗(yàn)證模塊衛(wèi)星(DMS)，通過(guò)2個(gè)試驗(yàn)階段驗(yàn)證交會(huì)對(duì)接技術(shù)(見(jiàn)圖7)。

圖7中示出了交會(huì)對(duì)接過(guò)程。①自主交會(huì)階段，在對(duì)接距離500～1 m內(nèi)，依靠傳統(tǒng)冷氣式推力器提供動(dòng)力；②自主對(duì)接階段，在對(duì)接距離1～0 m內(nèi)，依靠環(huán)形電磁線圈電磁對(duì)接裝置提供對(duì)接動(dòng)力。在自主對(duì)接階段，主要通過(guò)改變DSS上環(huán)形電磁線圈電流的大小實(shí)現(xiàn)DSS和DMS相互作用力的控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)接過(guò)程中速度的控制。為驗(yàn)證功能的適用性，在沒(méi)有配備任何姿態(tài)控制系統(tǒng)的情況下，成功實(shí)現(xiàn)了地面對(duì)接試驗(yàn)，在一定程度上驗(yàn)證了電磁對(duì)準(zhǔn)特性。

1.1.5 EGADS項(xiàng)目

美國(guó)德克薩斯大學(xué)開(kāi)展了在微重力條件下的EGADS項(xiàng)目[14]，如圖8所示。在封閉長(zhǎng)方體柜子內(nèi)充滿液體，用于實(shí)現(xiàn)微重力環(huán)境，通過(guò)調(diào)節(jié)兩側(cè)電磁陣列中電流的大小來(lái)控制中間永磁體(有效載荷)與兩側(cè)電磁陣列的對(duì)接和分離。2006年，該項(xiàng)目成功在飛機(jī)上進(jìn)行了微重力環(huán)境下的演示試驗(yàn)。

圖8 EGADS項(xiàng)目地面試驗(yàn)裝置

1.1.6 “有效載荷在軌發(fā)射搭載對(duì)接機(jī)構(gòu)項(xiàng)目”(SLIPP)

為驗(yàn)證電磁力能驅(qū)動(dòng)服務(wù)衛(wèi)星和目標(biāo)衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)對(duì)接的可能性，美國(guó)蒙大拿州立大學(xué)的空間科學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)室實(shí)施了SLIPP[15]，如圖9所示。2007年，該項(xiàng)目進(jìn)行了一維電磁柔性對(duì)接地面試驗(yàn)，演示了距離服務(wù)星1 m的目標(biāo)星通過(guò)電磁力實(shí)現(xiàn)加速至2 cm/s的巡航速度，然后在電磁斥力的作用下減速，并在與服務(wù)星接觸時(shí)速度為零，成功實(shí)現(xiàn)了“零沖擊”的柔性對(duì)接。

圖9 SLIPP空間對(duì)接示意

1.1.7 “柔性拉索電磁對(duì)接”(FELD)系統(tǒng)項(xiàng)目

歐洲帕多瓦大學(xué)提出了拉索式電磁對(duì)接(TED)機(jī)構(gòu)的概念，并設(shè)計(jì)了FELD系統(tǒng)及其對(duì)接試驗(yàn)[16-18]。對(duì)接過(guò)程主要分為發(fā)射拉索、軟對(duì)接、回收拉索和硬對(duì)接4個(gè)階段，如圖10所示。

圖10 FELD系統(tǒng)項(xiàng)目電磁對(duì)接的4個(gè)階段

FELD系統(tǒng)主要由探頭發(fā)射系統(tǒng)和探頭接收系統(tǒng)組成，如圖11所示。這套機(jī)構(gòu)的電磁對(duì)接主要體現(xiàn)在探頭接收系統(tǒng)捕獲探頭上，其對(duì)接平臺(tái)采用分層結(jié)構(gòu)，嵌入電磁鐵產(chǎn)生電磁力，用來(lái)捕獲磁鐵制成的探頭。FELD系統(tǒng)機(jī)構(gòu)的地面演示試驗(yàn)已經(jīng)完成，目前其研制團(tuán)隊(duì)正在研究將該系統(tǒng)應(yīng)用于立方體衛(wèi)星的可行性。

圖11 FELD系統(tǒng)機(jī)構(gòu)模型

1.2 原理與應(yīng)用構(gòu)想階段項(xiàng)目

1.2.1 “智能化自供能模塊”(ISM)項(xiàng)目

考慮到大型航天器的在軌組裝及擴(kuò)展需求，英國(guó)薩瑞大學(xué)在ISM項(xiàng)目[19]中提出在模塊航天器上設(shè)計(jì)安裝電磁平面對(duì)接系統(tǒng)(EFDS)，以完成安全可靠的三維對(duì)接組裝，如圖12所示。智能自加注模塊的中心為衛(wèi)星本體，電磁平面對(duì)接系統(tǒng)安裝在ISM的6個(gè)正方形面上，每個(gè)電磁對(duì)接面上裝有7個(gè)含鐵芯的螺線管，其他面上安裝太陽(yáng)電池板。

圖12 ISM空間對(duì)接效果和結(jié)構(gòu)Fig.12 ISM space docking effect and ISM structure

1.2.2 “可重構(gòu)太空望遠(yuǎn)鏡自組裝”(AAReST)項(xiàng)目

在ISM項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，為研究未來(lái)直徑大于20 m的大口徑太空望遠(yuǎn)鏡技術(shù)問(wèn)題，2011年由英國(guó)薩瑞大學(xué)、美國(guó)加州理工大學(xué)等共同提出了AAReST項(xiàng)目[20-22]，旨在驗(yàn)證在軌組裝可重構(gòu)太空望遠(yuǎn)鏡的相關(guān)硬件和技術(shù)，如圖13所示。AAReST項(xiàng)目主要包括3U立方體納衛(wèi)星“反射衛(wèi)星”(MirrorSat)和15U的“主衛(wèi)星”(CoreSat)，通過(guò)微推進(jìn)和電磁對(duì)接系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)MirrorSat和CoreSat的對(duì)接和分離，從而實(shí)現(xiàn)在軌重構(gòu)技術(shù)。該項(xiàng)目的電磁對(duì)接系統(tǒng)主要由4個(gè)按照上下兩層分布的通電螺線管組成，通過(guò)控制通電螺線管中電流的大小和方向滿足對(duì)接和分離過(guò)程中電磁力的需要，電磁對(duì)接裝置見(jiàn)圖14。

圖13 AAReST項(xiàng)目航天器組成示意Fig.13 Spacecraft elements of AAReST project

1.2.3 “3U立方體衛(wèi)星”(3U CubeSat)項(xiàng)目

文獻(xiàn)[23]中提出了利用新型永磁體實(shí)現(xiàn)3U CubeSat自主交會(huì)對(duì)接的技術(shù)方案，其主要思想是通過(guò)動(dòng)力學(xué)建模和電磁協(xié)調(diào)控制弱化對(duì)電磁對(duì)接的機(jī)械結(jié)構(gòu)要求。在試驗(yàn)中，衛(wèi)星的電磁對(duì)接頭僅有一個(gè)凸點(diǎn)和一個(gè)凹點(diǎn)，見(jiàn)圖15。雖然該種方法尚未成熟，控制策略也很復(fù)雜，但很可能因其設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單實(shí)用的優(yōu)勢(shì)引領(lǐng)立方體衛(wèi)星的電磁對(duì)接發(fā)展潮流。

圖15 3U CubeSat項(xiàng)目對(duì)接模型

1.2.4 “自主交會(huì)控制和對(duì)接試驗(yàn)”(ARCADE)項(xiàng)目

歐洲帕多瓦大學(xué)研究機(jī)構(gòu)通過(guò)開(kāi)展ARCADE項(xiàng)目[24-25]，實(shí)現(xiàn)了子航天器(SMAV)和主航天器(PROXBOX)之間的空間交會(huì)對(duì)接與分離，如圖16所示。ARCADE項(xiàng)目對(duì)接系統(tǒng)機(jī)構(gòu)主要由磁性探頭、對(duì)接錐體、彈簧阻尼和對(duì)接托盤組成。該機(jī)構(gòu)容差較大，在對(duì)接過(guò)程中有多個(gè)微觸開(kāi)關(guān)和光耦傳感器判斷對(duì)接機(jī)構(gòu)的狀態(tài)。機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖17所示。

圖16 ARCADE項(xiàng)目對(duì)接系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)Fig.16 Experimental platform of ARCADE project docking system

1.2.5 國(guó)內(nèi)相關(guān)項(xiàng)目

國(guó)內(nèi)的研究起步較晚，目前國(guó)防科技大學(xué)和中北大學(xué)的課題組進(jìn)行了相關(guān)研究。

國(guó)防科技大學(xué)的張?jiān)牡炔捎镁€性擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器、反饋線性化及魯棒H∞控制技術(shù)，設(shè)計(jì)空間電磁對(duì)接的魯棒協(xié)調(diào)控制，并通過(guò)仿真檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)控制方案的性能及其魯棒性。仿真結(jié)果表明：控制器不但可以觀測(cè)到系統(tǒng)所有狀態(tài)變量，而且能提高系統(tǒng)對(duì)模型不確定性及外界干擾的魯棒性，跟蹤控制性能良好。應(yīng)用反饋線性化和魯棒H∞，通過(guò)控制設(shè)計(jì)方法，采用內(nèi)外環(huán)控制策略，內(nèi)環(huán)采用非線性狀態(tài)反饋控制實(shí)現(xiàn)輸入-輸出線性化，外環(huán)采用魯棒H∞，實(shí)現(xiàn)對(duì)模型不確定性的穩(wěn)定控制[2-4]。

國(guó)防科技大學(xué)的張強(qiáng)、陳小前等對(duì)柔性自穩(wěn)定空間電磁對(duì)接系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究并試驗(yàn)，分析電磁對(duì)接系統(tǒng)組成元件的電磁特性，建立兩同軸等半徑電磁線圈的數(shù)學(xué)模型，采用數(shù)值仿真分析方法，得到2個(gè)電磁線圈相對(duì)距離與電磁力大小的關(guān)系，以及電磁線圈半徑與電磁力作用范圍的關(guān)系，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證[26]。

中北大學(xué)的楊臻等提出一種新型的空間電磁對(duì)接機(jī)構(gòu)(如圖18所示)，完成空間合作目標(biāo)電磁對(duì)接機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用虛擬樣機(jī)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真軟件對(duì)模型分析，實(shí)現(xiàn)空間合作目標(biāo)電磁對(duì)接過(guò)程整體動(dòng)作的模擬。運(yùn)用有限元軟件對(duì)空間電磁對(duì)接機(jī)構(gòu)進(jìn)行電磁耦合仿真分析計(jì)算，得到不同電流情況下的電磁場(chǎng)云圖，通過(guò)對(duì)電磁場(chǎng)云圖的分析掌握不同電流對(duì)電磁鐵組件和吸附力的影響規(guī)律[27]。該方法與歐洲帕多瓦大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)提出的FELD系統(tǒng)原理有相似之處。

注：1-電機(jī)，2-電機(jī)支架，3-聯(lián)軸器，4-卷?yè)P(yáng)機(jī)組件，5-基座，6-外殼，7-鎖緊機(jī)構(gòu)組件，8-電磁鐵組件，9-發(fā)射機(jī)構(gòu)，10-柔性索及電線，11-吸附塊，12-頂桿，13-頂桿外筒，14-彈簧，15-底座。

圖18 電磁對(duì)接機(jī)構(gòu)

Fig.18 Electromagnetic docking mechanism

2 電磁對(duì)接系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

針對(duì)上述研究可發(fā)現(xiàn)，目前已開(kāi)展了較為廣泛的電磁對(duì)接技術(shù)研究，這些研究主要集中于利用電磁力實(shí)現(xiàn)航天器對(duì)接近距離捕獲、校正、緩沖及鎖緊過(guò)程中的部分功能，并且多面向微小衛(wèi)星的對(duì)接需求。目前，電磁對(duì)接技術(shù)要實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用，還有待于電磁對(duì)接系統(tǒng)技術(shù)、電磁力/力矩控制模型技術(shù)和電磁對(duì)接位置姿態(tài)檢測(cè)技術(shù)的持續(xù)突破。

2.1 電磁對(duì)接系統(tǒng)技術(shù)

在電磁對(duì)接全流程任務(wù)過(guò)程中，合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與全局規(guī)劃是方案是否最優(yōu)的關(guān)鍵所在。目前，公認(rèn)的主流電磁對(duì)接系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路為，僅利用電磁裝置實(shí)現(xiàn)導(dǎo)引和對(duì)接，再利用精巧的機(jī)械機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)連接鎖緊。2個(gè)對(duì)接體在距離較遠(yuǎn)時(shí)通過(guò)電磁力完成軌道控制和質(zhì)心控制；近距離時(shí)利用電磁力矩完成姿態(tài)控制；接觸后再通過(guò)機(jī)械機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)連接鎖緊。例如，F(xiàn)ELD系統(tǒng)項(xiàng)目、ARCADE項(xiàng)目、Mini AERCam項(xiàng)目和LIDS項(xiàng)目所研究的電磁對(duì)接機(jī)構(gòu)，均采用這種電磁導(dǎo)引與機(jī)械機(jī)構(gòu)相結(jié)合的方法完成對(duì)接任務(wù)。尤其是對(duì)電磁導(dǎo)引過(guò)程，通過(guò)系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁力/力矩的巧妙利用，最終實(shí)現(xiàn)精確的軌道控制和姿態(tài)控制。由于電磁力/力矩的引入，需要通過(guò)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)和優(yōu)化解決以下問(wèn)題。

(1)電磁體之間作用力隨距離的增加以指數(shù)量級(jí)減小，量級(jí)與電磁體材料與結(jié)構(gòu)有關(guān)，因此，確保在一定的距離范圍、功耗、質(zhì)量等約束條件下，提供滿足電磁對(duì)接所需的電磁力/力矩是需要解決的問(wèn)題。目前，主要解決途徑有2種：①采用“超導(dǎo)線圈”；②在普通線圈中加鐵芯以增加電磁力[28]。超導(dǎo)線圈的優(yōu)勢(shì)在于允許線圈在一定功率下通過(guò)大電流，大大提高了線圈產(chǎn)生的電磁力。不過(guò)，超導(dǎo)材料只有在低溫條件下才具有超導(dǎo)性，需要設(shè)計(jì)專門的冷卻系統(tǒng)；另外，增加鐵芯會(huì)增加系統(tǒng)的質(zhì)量。上述問(wèn)題均需要通過(guò)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)解決。

(2)外磁場(chǎng)對(duì)電磁對(duì)接系統(tǒng)的干擾不能忽略。地磁場(chǎng)對(duì)航天器姿態(tài)產(chǎn)生影響，可使航天器發(fā)生旋轉(zhuǎn)。地磁場(chǎng)的影響可以通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)避，如控制電磁鐵工作時(shí)間，或頻繁改變電磁鐵的極性等。

(3)電磁對(duì)接系統(tǒng)會(huì)對(duì)航天器上的電子設(shè)備產(chǎn)生干擾。針對(duì)該問(wèn)題，在電磁對(duì)接系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮電磁屏蔽問(wèn)題，使用電磁屏蔽材料進(jìn)行隔離，或在敏感電子設(shè)備周圍進(jìn)行電磁屏蔽，也可以在電子設(shè)備附近布設(shè)一些與電磁對(duì)接系統(tǒng)極性相反的磁極，以使電子設(shè)備旁的磁場(chǎng)局部為零。

2.2 電磁力/力矩控制模型技術(shù)

與傳統(tǒng)的空間對(duì)接技術(shù)不同，空間電磁對(duì)接技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)接的動(dòng)力為電磁力/力矩，因此對(duì)空間電磁對(duì)接系統(tǒng)而言，關(guān)鍵問(wèn)題是電磁力/力矩的建模技術(shù)。電磁場(chǎng)的問(wèn)題通?？梢酝ㄟ^(guò)麥克斯韋方程組進(jìn)行表述和求解，但由于實(shí)際問(wèn)題的復(fù)雜性，在工程上很少應(yīng)用，常用的方法是采用簡(jiǎn)化的磁偶極子模型。偶極子模型根據(jù)麥克斯韋方程可以求解其精確解，但精確解中包含著不能求解的積分，通過(guò)對(duì)積分公式進(jìn)行泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)，可獲得解析解。

麻省理工學(xué)院太空系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室在“電磁編隊(duì)飛行”(EMFF)項(xiàng)目中提出近場(chǎng)、中場(chǎng)及遠(yuǎn)場(chǎng)3種電磁力模型[28]。近場(chǎng)模型即精確模型，指不忽略通電線圈的匝數(shù)、尺寸等因素，通過(guò)一系列的積分得到電磁力/力矩，適用于2個(gè)航天器的間距為任意值的情況。遠(yuǎn)場(chǎng)模型是近場(chǎng)模型的一種線性化模型，是將通電線圈簡(jiǎn)化為電磁鐵，并將電磁鐵建模為磁偶極子，對(duì)磁偶極子進(jìn)行一階泰勒展開(kāi)得到電磁力/力矩。通過(guò)這種方法得到的電磁力/力矩表達(dá)形式更簡(jiǎn)單，能應(yīng)用于相應(yīng)的理論研究和控制方法中；但該方法在簡(jiǎn)化過(guò)程中對(duì)2個(gè)航天器的間距有一定的限制，若要滿足模型相對(duì)誤差小于10%，間距至少是通電線圈半徑的6～8倍。中場(chǎng)模型是近場(chǎng)模型的高階線性化，要求2個(gè)航天器的間距至少是通電線圈半徑的3～4倍，此時(shí)滿足模型相對(duì)誤差小于10%的精度要求，但電磁力/力矩的數(shù)學(xué)表達(dá)式非常復(fù)雜，很難用于相關(guān)的控制研究。

國(guó)內(nèi)在遠(yuǎn)場(chǎng)模型的基礎(chǔ)上開(kāi)展了空間電磁對(duì)接動(dòng)力學(xué)與控制的相關(guān)研究，提出了電磁自對(duì)接性的概念，并對(duì)電磁對(duì)接與分離過(guò)程中電磁力的強(qiáng)非線性、耦合性等問(wèn)題設(shè)計(jì)了跟蹤偏差反饋魯棒控制器，將空間電磁對(duì)接的路徑跟蹤問(wèn)題轉(zhuǎn)化為跟蹤誤差漸近穩(wěn)定問(wèn)題，并采用基于擴(kuò)展卡爾曼濾波的比例-微分(PD)控制方法進(jìn)行控制律設(shè)計(jì)，研究航天器空間電磁對(duì)接過(guò)程中的六自由度控制問(wèn)題，利用理論推導(dǎo)及數(shù)學(xué)仿真驗(yàn)證該控制方法的有效性[2-4]。

2.3 電磁對(duì)接位置姿態(tài)檢測(cè)技術(shù)

在電磁對(duì)接過(guò)程中，2個(gè)航天器靠近時(shí)需要位置和姿態(tài)的調(diào)整，它們之間的相互定位檢測(cè)關(guān)系到電磁力/力矩的閉環(huán)控制，進(jìn)而影響最終的對(duì)接精度，因此是電磁對(duì)接系統(tǒng)的又一關(guān)鍵技術(shù)。目前，電磁對(duì)接系統(tǒng)大多選用攝像裝置測(cè)距定位或機(jī)械接觸反饋的方法實(shí)現(xiàn)位置姿態(tài)檢測(cè)，并在對(duì)接試驗(yàn)中進(jìn)行了功能驗(yàn)證，為后續(xù)電磁對(duì)接技術(shù)的在軌應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

SPHERES項(xiàng)目使用攝像機(jī)與LED燈陣列的方式檢測(cè)目標(biāo)衛(wèi)星的相對(duì)位置，同時(shí)通過(guò)檢測(cè)LED燈陣列幾何變形反求姿態(tài)關(guān)系，如圖19所示。這種方式可以實(shí)現(xiàn)空間六自由度的定位檢測(cè)。

圖19 SPHERES項(xiàng)目位置姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)Fig.19 Position & attitude measurement system of SPHERES project

ARCADE項(xiàng)目對(duì)接系統(tǒng)采用紅外測(cè)距的方式實(shí)現(xiàn)子航天器SMAV和主航天器PROXBOX的定位檢測(cè)，在PROXBOX上固定一個(gè)紅外發(fā)射裝置，SMAV上裝有2個(gè)紅外接收器，通過(guò)接收的測(cè)距信息求解相對(duì)位置參數(shù)。由于2個(gè)航天器固定在一個(gè)試驗(yàn)平臺(tái)上，因此僅需要實(shí)現(xiàn)平面三自由度的定位檢測(cè)，見(jiàn)圖20。

除了引導(dǎo)對(duì)接過(guò)程的定位檢測(cè)，在對(duì)接過(guò)程中還需要一些判斷對(duì)接機(jī)構(gòu)接觸狀態(tài)的機(jī)械式傳感器。ARCADE項(xiàng)目對(duì)接機(jī)構(gòu)中設(shè)置了接觸式的微動(dòng)開(kāi)關(guān)和光耦接觸傳感器，可以對(duì)機(jī)構(gòu)接觸狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)和信號(hào)反饋，給出下一步機(jī)械鎖緊的動(dòng)作指令，見(jiàn)圖21。

圖20 ARCADE項(xiàng)目位置姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)

圖21 ARCADE項(xiàng)目對(duì)接信號(hào)接收檢測(cè)系統(tǒng)

3 未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

目前，國(guó)內(nèi)外開(kāi)始大量研究空間電磁對(duì)接技術(shù)，尤其在微小衛(wèi)星領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)行了很多地面試驗(yàn)驗(yàn)證，也進(jìn)行了一些在軌飛行驗(yàn)證。根據(jù)電磁對(duì)接技術(shù)的研究情況，可對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行以下展望。

(1)將電磁對(duì)接技術(shù)應(yīng)用于航天器遠(yuǎn)距離導(dǎo)引、捕獲、校正、緩沖及鎖緊全過(guò)程，目前還受制于關(guān)鍵技術(shù)的突破；但僅僅利用電磁技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)接過(guò)程中的捕獲、校正或緩沖，是一種成熟的工程設(shè)計(jì)思路。例如Mini AERCam項(xiàng)目、OASIS項(xiàng)目、EGADS項(xiàng)目及SLIPP，均開(kāi)展了基于電磁力導(dǎo)引實(shí)現(xiàn)地面一維或二維的對(duì)接試驗(yàn)驗(yàn)證，利用電磁對(duì)接機(jī)構(gòu)成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)的捕獲、校正和輔助鎖緊功能；SPHERES項(xiàng)目基于“國(guó)際空間站”艙內(nèi)的在軌環(huán)境完成了考慮避免障礙物碰撞等多種約束條件的自主對(duì)接試驗(yàn)。

(2)目前的電磁技術(shù)足夠支撐其在微小衛(wèi)星上的應(yīng)用，隨著系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力的增強(qiáng)、電磁控制技術(shù)的進(jìn)步和高溫超導(dǎo)等關(guān)鍵技術(shù)的突破，電磁力可提供足夠的驅(qū)動(dòng)力，屆時(shí)電磁對(duì)接技術(shù)必將會(huì)適用于大型航天器。例如，NASA與ESA聯(lián)合開(kāi)發(fā)的LIDS項(xiàng)目，就是為了滿足未來(lái)高容錯(cuò)性、高適應(yīng)性等大型航天器的對(duì)接需求，通過(guò)電磁力和機(jī)械引導(dǎo)實(shí)現(xiàn)柔性對(duì)接，是一種典型的電磁式弱撞擊對(duì)接系統(tǒng)，預(yù)計(jì)在“龍”飛船與“國(guó)際空間站”對(duì)接任務(wù)中得到在軌驗(yàn)證。

(3)在關(guān)注電磁對(duì)接技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也應(yīng)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中充分考慮強(qiáng)磁場(chǎng)帶來(lái)的負(fù)面影響。只有進(jìn)行系統(tǒng)性的電磁防護(hù)設(shè)計(jì)，規(guī)避電磁對(duì)接強(qiáng)磁場(chǎng)影響鄰近設(shè)備的正常工作，才能正真實(shí)現(xiàn)電磁對(duì)接技術(shù)的在軌可靠應(yīng)用。

電磁對(duì)接技術(shù)可以極大簡(jiǎn)化傳統(tǒng)對(duì)接系統(tǒng)的復(fù)雜性，同時(shí)可減少燃料消耗和羽流污染，增強(qiáng)對(duì)接過(guò)程的姿態(tài)和速度可控性，實(shí)現(xiàn)真正的弱撞擊、低沖擊對(duì)接和重復(fù)使用，有望在未來(lái)的微小衛(wèi)星編隊(duì)飛行、大型航天器在軌組裝及在軌服務(wù)任務(wù)中實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用。