薄膜捕获口袋系统航天器动力学及FNTSM控制研究

近年来，随着航天发射活动的大幅增加，离轨航天器数量急剧上升，对现役在轨航天器和未来航天活动都造成严重影响。传统的绳网捕获系统作为一种主动使航天器脱离轨道的技术，在减轻和清除空间碎片方面具有巨大的潜力。

然而，绳索系统面临着诸如难以长时间保持形状、容易自缠结、能量损失以及有效捕获面积减少等挑战。相比之下，薄膜可以沿着规则的形状折叠和展开，与系绳相比具有更大的灵活性和可靠性。它们成为解决纠缠问题的有效解决方案，并为减轻和清除空间碎片提供了一种有前景的方法。

在最近发表在《Space:Science&Technology》上的一篇评论文章中，哈尔滨工业大学程伟教授团队与北京控制工程研究所和本哈大学的研究人员合作，设计了一种薄膜捕获口袋系统。

然而，该系统的柔性结构在运动过程中容易产生明显的变形和振动，对航天器运行造成相当大的干扰。为了定量分析这些干扰，本研究重点关注薄膜袋捕获系统的动态建模和姿态控制。

该研究涉及开发集成到姿态跟踪控制律中的快速非奇异终端滑模控制器(FNTSM)和固定时间膨胀观测器(FxESO)。通过建立虚拟样机验证了控制器的有效性。该研究为系统未来在轨应用提供理论支撑。

首先，建立捕获口袋系统模型。利用由充气杆支撑的大型柔性膜结构，上部形成八角棱柱，为捕获机构提供大的外壳，而下部则呈圆柱形。

该系统的展开和收回是通过充气柔性接头调节充气和放气来实现的。系统的工作过程主要分为3个阶段。首先，航天器系统由高推力发动机驱动接近捕获目标。然后，充气柔性接头充气以包围目标。最后，服务飞船主动机动，将捕获的目标拖入墓地轨道。

接下来，使用绝对节点坐标公式(ANCF)建立薄膜口袋捕获系统的动态模型。采用8个节点的高阶ANCF单元来描述薄膜表面的运动，通过插值多项式Φi(xi,yi)表示全局位置矢量。

使用格林-拉格朗日应变张量描述材料点的应变，并将其代入全局位置矢量梯度张量Ji来导出单元的运动方程。利用虚功原理推导出单元的运动学方程。此外，引入控制器u、角速度ω(ω)和单位四元数q。

推导姿态跟踪误差的导数，包括角速度误差ωe和姿态旋转矩阵Aqe。最后，综合航天器转动惯量JR和外界扰动d的影响，推导出航天器的姿态动力学方程。

随后，作者在非线性滑模控制的基础上，设计了快速终端滑模(FTSM)表面F。为了防止FTSM中的奇点问题，在|时设计了快速非奇异终端滑模(FNTSM)表面F。qEI|<ψ。

固定时间扩展状态观测器(FxESO)的引入涉及设计观测误差的动态方程，从而能够估计不确定性。最后，基于FTNSM和FxESO设计了航天器控制器，以在有限时间内实现收敛和稳定。

随后，作者建立了虚拟样机，并对相关动力学和控制理论进行了数值仿真分析。研究表明，航天器进行姿态机动后，系统逐渐稳定下来。

然而，柔性杆仍然存在振动，导致膜无法完全拉紧，导致膜表面出现连续的皱纹。此外，将FNTSM+FxESO控制器与非奇异终端滑模(NTSM)+膨胀观测器(ESO)控制器进行比较，并分析该控制器下的姿态误差。

结果表明，FNTSM+FxESO控制器在10秒后使航天器达到所需姿态，比NTSM+ESO控制器快约25秒。这显着提高了系统姿态误差的收敛速度。

此外，该控制器可以有效抑制高振幅振动，使稳态姿态误差保持在10-4量级。这证明了所提出的控制器的高效率、高精度和稳定性能。