The Capturing of Space Debris with a Spaceborne Multi-fingered Gripper / The Capturing of Space Debris with a Spaceborne Multi-fingered Gripper

DOI:

Дата направления статьи в редакцию:

Дата публикации:

Аннотация: Предмет исследования – технологии решения актуальной проблемы удаления космического мусора. В работе рассмотрены возможности технологии использования механического захвата с четырьмя гибкими пальцами, размещенного на борту орбитального космического аппарата – сборщика мусора. В качестве характерного образца космического мусора выбран миниатюрный швейцарский искусственный спутник SwissCube (2009, построен на универсальной платформе малых искусственных спутников CubeSat в форме куба с размером ребра 0,1 м и массой 1,0 кг). В работе использовались методы линейной алгебры путем построения матриц собственных и угловых моментов количества движения каждого пальца захвата и SwissCube с учетом одновременного вращения спутников с малыми угловыми скоростями. Для упрощения модели использовалось предположение о нулевой силе гравитации между объектами. В общем случае, модель системы захвата учитывала наличие жестких и упругих компонентов, для описания которых, в свою очередь, был использован метод конечных элементов. Для оценки результативности модели при различных вариантах удержания проводилось имитационное моделирование процессов захвата SwissCube с использованием пакета программ виртуального моделирования кинематических процессов в системе нескольких тел MSC ADAMS. Рассмотрено два варианта возможных последующих ускорений и вращений спутников в зависимости от величины трения в зоне контакта каждого манипулятора со SwissCube и степени жесткости пальцев захвата. Показано, что расчеты по матричной модели и результаты имитационного моделирования не противоречат друг другу. Выявлены факторы, влияющие на процесс удерживания: величина трения в зоне контакта и гибкость пальца захвата.

Ключевые слова:

Abstract: With the massive launching of spacecraft, more and more space debris are making the low Earth orbit (LEO) much more crowded which seriously affects the normal flight of other spacecrafts. Space debris removal has become a very urgent issue concerned by numerous countries. In this paper, using SwissCube as a target, the capturing of space debris with a spaceborne four-fingered gripper was studied in order to obtain the key factors that affect the capturing effect. The contact state between the gripper fingers and SwissCube was described using a defined contact matrix. The law of momentum conservation was used to model the motion variations of the gripper and SwissCube before and after the capturing process. A zero-gravity simulation environment was built using ADAMS software. Two typical kinds of capturing processes were simulated considering different stiffness of fingers and different friction conditions between fingers and SwissCube. Comparisons between results obtained with the law of momentum conservation and those from ADAMS simulation show that the theoretical calculations and simulation results are consistent. In addition, through analyzing the capturing process, a valuable finding was obtained that the contact friction and finger flexibility are two very important factors that affect the capturing result.

Keywords: