非合作失效航天器绳系拖曳系统研究

孙瑞琦，祁瑞

北京理工大学 宇航学院， 北京 100081

1 引言

自1957年10月4日第一颗人造卫星发射升空，人类航天活动日趋频繁，在持续推进航天科技发展的同时，也不可避免地产生了大量太空垃圾，即空间碎片。空间碎片不仅长期占据宝贵的轨道资源，其极高的飞行速度也给在轨人员和资产造成威胁，一旦发生碰撞将产生大量小碎片，有可能进一步引起碰撞链式反应[1-2]。而仅依靠大气阻力等方式清除碎片的速度远比不上不断增加的发射任务等导致的空间碎片的产生速度[3-4]，因此，必须对空间碎片进行主动清除。在众多碎片主动清除技术中，绳系拖曳系统[5]因其具有结构简单、质量轻、成本低、系统结构参数可变、捕获距离大等特点，受到国内外学者的广泛关注[6]。作为空间碎片的一类，失效航天器因体积和质量较大，在确定清除目标时应得到足够重视。并不是所有的失效航天器都是因为燃料耗尽而失效，有些航天器可能因器件损坏、通讯模块故障而失效，虽然航天器已不受地面控制，但星上姿态稳定的自动控制模块依然有效，将失效星稳定在某一固定指向。对这类目标开展绳系拖曳清除，会发生拖船与目标在姿态稳定指向上的抗衡效果，从而表现出复杂的动力学与控制特性。

目前已有许多学者展开了关于绳系复合体的研究[7-8]，针对其离轨阶段的动力学与控制问题，许多学者初步将拖船和目标简化为质点，观察系统整体运动规律并对控制问题进行研究。……