《Progress in Aerospace Sciences》期刊于2021年发表的综述论文《Recent advances in contact dynamics and post-capture control for combined spacecraft》由南京航空航天大学航天学院的Shuang Li（李爽）和Yuchen She（佘宇晨）合作完成。该论文系统梳理了组合航天器（combined spacecraft）接触动力学与捕获后控制技术的研究进展，重点针对非合作目标捕获任务中的关键技术挑战提出了前瞻性分析。

学术背景

随着空间任务复杂度提升，组合航天器在空间站建设、在轨服务（on-orbit servicing, OOS）、太空碎片清除等任务中成为核心载体。当主动航天器捕获目标（如失效卫星、空间碎片等）后，两者形成的组合体动力学特性会因捕获方式不同而显著变化。尤其对于非合作目标（non-cooperative targets），其惯性参数未知且可能处于翻滚状态，导致捕获后控制（post-capture control）面临巨大风险。NASA、ESA等机构长期致力于该领域研究，但此前缺乏对接触动力学与控制系统设计的全面综述。本文填补了这一空白，从捕获策略、动力学建模、参数估计到控制器设计进行了系统性总结。

核心内容

1. 组合航天器的捕获策略与动力学特性

作者将捕获方式分为五类，并对比其动力学模型与控制难点：
- 刚性对接与停泊（Docking/Berthing）：通过弹簧阻尼缓冲机构（spring-damper buffer）形成单/双刚体系统，如国际空间站采用的探针-锥体对接机制（probe-cone docking mechanism）。优势是连接刚性高，但需目标具备合作接口。
- 机械臂捕获（Manipulator Capturing）：采用末端执行器（end-effector）抓取目标，形成自由漂浮多体系统（free-floating multi-body system）。例如ETS-VII卫星的爪式捕获机构（claw capture mechanism）。挑战在于接触力建模需考虑柔性振动与单边约束（unilateral contact constraint）。
- 飞网捕获（Flying Net）：通过柔性网包裹目标（如ESA的e.Deorbit项目），但组合体呈现强非线性与欠驱动特性（under-actuated properties），姿态控制难度极高。
- 系绳机器人（Tethered Space Robot, TSR）：通过系绳连接目标，相比飞网具有更强的可控性，但存在缠绕风险（tangling effect）。
- 粘附材料连接（Adhesive Material）：基于仿生学（如壁虎刚毛结构）的粘附力（van der Waals force）捕获，但缺乏精确的力学模型且连接脆弱。

2. 接触动力学建模技术

针对目标与末端执行器的接触力，论文详细分析了三类模型：
- 法向接触力（Normal Contact Force）：
- 离散方法：基于动量守恒的冲量模型（impulsive force model），适用于碰撞瞬间速度突变分析。
- 连续方法：采用Hertz接触模型（Hertz model）或非线性弹簧阻尼模型（如$f = k_g “cdot |“delta|^“alpha “cdot n + k_c “cdot “dot{“delta}^“beta “cdot n$），通过材料变形量$“delta$计算接触力。
- 摩擦力（Friction Force）：
- Coulomb模型改进为连续形式（如式14），解决数值仿真中速度不连续问题。
- 扩展鬃毛模型（bristle model）将相对运动分解为可逆（弹性）与不可逆（塑性）部分。
- 粘附力（Adhesive Force）：目前仅能通过统计方法近似，缺乏普适理论模型。

3. 惯性参数估计方法

针对非合作目标的未知参数（质量、质心位置、转动惯量），提出两类映射框架：
- 力矩-加速度映射（Torque-Acceleration Mapping）：基于最小二乘法（LSM）或卡尔曼滤波（EKF/UKF）从激励响应中估计参数。例如，通过动量管理（momentum management）避免主动激励带来的风险。
- 能量-动量守恒映射（Energy-Momentum Mapping）：适用于空间机械臂系统，利用角动量守恒直接推导目标惯量。

4. 捕获后控制策略

根据组合体类型设计差异化控制器：
- 单/双刚体系统：采用鲁棒控制（robust control）处理模型不确定性，如模糊PID或抗饱和自适应神经网络（anti-saturation ANN）。
- 多体系统（机械臂）：
- 无扰动控制（Reactionless Control）：利用冗余自由度规划关节运动，避免基座姿态扰动。
- 自适应控制：基于LPV模型（Linear Parameter Varying）在线补偿参数误差。
- 系绳组合体：通过张力控制（tension control）实现消旋（de-tumbling），结合动态表面控制（dynamic surface control）抑制振动。

研究价值与亮点

1. 系统性综述：首次整合了从捕获策略到控制算法的全链条技术，为后续研究提供清晰框架。
   
2. 技术前瞻性：指出飞网与粘附捕获的模型精度不足问题，推动柔性连接动力学理论发展。
   
3. 工程指导意义：对比各类捕获方式的优缺点，例如刚性对接适合合作目标，而机械臂在非合作任务中灵活性更高。
   
4. 跨学科融合：结合材料力学（Hertz模型）、生物仿生（壁虎刚毛）与控制理论（LPV系统），体现多学科交叉特色。
   

该论文对深空探测、在轨服务等任务具有重要参考价值，尤其为非合作目标操控这一高风险任务提供了技术路线图。未来需进一步开发高精度接触模型与分布式协同控制算法，以应对超大型空间设施组装等挑战。