综述：基于并行分布式进化算法的二维部署机制的设计与优化

《Acta Astronautica》：Design and optimization of a 2D deployment mechanism based on a parallel distributed evolutionary algorithm

空间张力网系统通过二维部署机制（2D-DM）实现高效稳定展开，并采用并行分布进化算法（PDEA）优化连接袖扭矩以减少对卫星姿态的影响，仿真验证了该方法的有效性。

　　

牛晓杰|刘博涵|黄海|刘正宇

北京航空航天大学宇航学院，中国北京100191

摘要

太空垃圾对在轨航天器的运行以及地球轨道环境的可持续利用构成了日益严重的威胁。为此，人们探索了多种主动清除太空垃圾（ADR）的方法。本文在太空网捕获系统的概念基础上，提出了一种新型的太空张力网系统。该系统为保护高价值航天器以及在太空中部署大口径天线提供了潜在的解决方案。该系统的关键组成部分是二维展开机构（2D-DM），其设计必须优先考虑展开的稳定性。为了解决与设计优化相关的计算成本高昂的问题，本文提出了一种并行分布式进化算法（PDEA）。该算法以2D-DM连接套筒上的扭矩作为目标函数进行最小化，旨在减少展开过程中对宿主卫星姿态的干扰。仿真结果证明了所提出的分布式优化框架在2D-DM设计中的可行性和有效性，为太空张力网系统的优化提供了战略参考。

引言

随着人类太空活动的不断推进，每年发射的航天器（如卫星）数量不断增加。虽然这些航天器促进了现代通信、导航和遥感技术的发展，但同时也导致了严重的太空垃圾问题。根据美国国家航空航天局（NASA）的数据，每年至少需要主动清除5到10个高风险太空垃圾物体[1]。在地球轨道上超过20,000个可追踪物体中，有超过63%是太空垃圾[2]。大型太空垃圾的轨道运动可能导致连锁碰撞，产生更多碎片——这种现象被称为“凯斯勒综合症”[3]。这些高速旋转的太空垃圾不仅占据了宝贵的轨道资源，还对在轨运行的高价值航天器构成碰撞风险。因此，研究有效的ADR方法至关重要。

近年来，研究人员对ADR方法进行了广泛的研究。2001年，东京大学启动了“Furoshiki”项目，提出了“太空网”的概念——一种由四个位于其角部的小型卫星控制和部署的中央网[4,5]。此外，2001年，欧洲航天局（ESA）提出了ROGER计划，旨在清除地球同步轨道（GEO）上的失效卫星，并帮助偏离轨道的卫星进入预定轨道；尽管该计划尚未完成，但其先进的概念对后续的太空垃圾清除研究产生了重要影响[6]。在接下来的几年中，许多研究对太空网捕获系统的展开动力学进行了数值分析。例如，Gardsback等人使用有限元方法模拟了旋转太空网的折叠和展开过程，并利用LS-DYNA软件进行了仿真分析[7,8]。Mankala等人应用冲量-动量定理描述了网的运动学和动力学行为，并分析了捕获后网的速度变化[9]。Yu Yang等人研究了柔性网的展开过程，探讨了网的喷射效应，并使用商业软件进行了仿真[10]。Shan等人研究了系绳网的展开动力学，并分析了初始展开条件对关键参数（如最大网面积、展开时间、行进距离和有效周期）的影响[11]。Pandie等人通过数值仿真和地面实验研究了子弹喷射角度以及网与垃圾之间的初始距离对系绳网展开动力学和最终捕获效果的影响[12]。此外，许多研究还关注了太空网捕获系统的配置和收紧装置，以更好地适应不同的捕获任务。McKenzie等人提出了使用机器人组装结构并改变太空设施配置的想法，这可能为太空网系统的设计提供参考[13]。Xu等人基于仿生学理论和方法设计了一种新型ADR装置，并利用有限元分析模拟了旋转和展开的仿生网的动态特性，并通过地面测试进行了验证[14,15]。Sharf等人提出并验证了一种基于主牵引绳的主动网闭合机制，并通过地面实验和数值仿真证明该机制可以可靠地捕获和收紧太空垃圾周围的网[16,17]。此外，Zhang等人建立了基于半阻尼弹簧系统的动态模型，并开发了地面测试原型，以分析和验证不同环境下的展开差异[[18], [19], [20], [21], [22]]。

根据文献，关于太空网捕获系统的应用、理论分析和动力学已经进行了大量研究。目前，由于太空网捕获系统不受目标形状和大小的限制，它已成为ADR研究的主流方法，并且已经进行了相应的太空实验。然而，诸如捕获过程中展开时间短以及对航天器性能要求极高等问题尚未得到充分解决。在此期间，西北工业大学黄教授领导的研究团队提出了太空飞行网机器人的概念，部分缓解了柔性网在捕获过程中的展开时间短的问题[23]。尽管如此，高精度空间操作仍然是一个未充分解决的问题。为了克服太空网捕获系统捕获过程中展开时间短和操作难度高的问题，我们提出了一种基于卷曲展开机制的新型太空张力网概念。展开后，2D-DM由于柔性框架的特性，可以长时间保持其配置，从而实现阻止非合作目标的功能或作为大型天线使用；必要时，它可以重新配置成网状捕获装置以清除非合作物体。为了确保太空张力网展开过程中的稳定性和可靠性，优化2D-DM连接套筒的扭矩至关重要，从而将其对卫星姿态的影响降到最低。

考虑到实验成本和涉及的风险，通过全尺寸太空实验来评估张力网的展开是不切实际的。因此，通常通过数值仿真来获得连接套筒的扭矩，并通过地面测试进行验证。在本文中，2D-DM的设计问题被视为一个目标优化问题，即最小化套筒扭矩。然而，先前的仿真结果表明，使用ADAMS & MATLAB协同仿真系统进行动态仿真每次评估平均需要3小时。因此，这个优化问题无法通过传统的串行仿真方法直接解决。本文采用基于PDEA的优化设计方法，以高效有效的方式解决这个计算成本高昂的目标优化问题。

基于团队的研究[24]，本文提出了一种PEDA方法，用于实现2D-DM的设计和优化。本研究的主要贡献如下：

1)

提出了一种新型的太空张力网概念；

2)

设计了一个并行计算框架；

3)

开发了一个半径为1.2米的原型。

章节片段

系统描述

本文中2D-DM的最佳设计基于前述的太空张力网概念。如图1所示，2D-DM最初折叠在卫星表面的存储容器中，任务命令时展开成大型平面网，并在长时间内保持其配置。展开后的2D-DM通常放置在高价值航天器附近，以阻止非合作目标或作为特定任务的大型天线使用。

网模型

太空张力网是一种非线性的、大变形的多体结构，通常需要离散方法进行解析建模。常用的建模方法包括集中质量法和绝对节点坐标公式（ANCF）[25]。为了降低计算成本，由于其高计算效率和短仿真时间，本文采用集中质量法对太空张力网进行离散建模[11]。

设计变量

影响2D-DM连接套筒扭矩的因素包括一系列不同的参数，包括套筒的材料、系绳网的材料和配置以及柔性梁的材料。例如，在本研究中仅考虑了系绳的半径$r_{net}$

目标

在2D-DM的设计和优化过程中，目标函数的选择至关重要

并行分布式进化算法

通过并行化传统进化算法的操作，分布式进化算法利用分布式架构来提高计算效率。它通常用于解决大规模、复杂和高维的优化问题，并已在许多领域得到成功应用[28,29]。

由于柔性框架和系绳网的动态建模和仿真方法存在差异，因此采用了集成ADAMS和MATLAB的协同仿真框架

结果与讨论

在本节中，使用之前建立的ADAMS和MATLAB协同仿真框架来解决2D-DM的目标优化问题。系统参数如表1所示。拉丁超立方抽样用于生成PDEA的初始种群。控制参数设置如下：种群大小为35；代数为20；交叉概率为0.3；变异概率为0.4；并行工作器的数量为

结论

基于太空网捕获系统，太空张力网概念代表了一种新型的ADR方法。为了提高其性能容忍度，提出了PDEA用于2D-DM的最优设计。系绳网的动态模型采用集中质量法建立，而柔性框架则通过结合经典结构动力学和刚体动力学进行建模。此外，还基于分布式进化算法设计了一个并行计算框架以进一步改进

CRediT作者贡献声明

牛晓杰：撰写——原始草稿、软件、方法论、调查、数据整理。刘博涵：方法论。黄海：概念化。刘正宇：撰写——审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国安徽江淮先进技术中心的独立创新研究项目和中国北京航空航天大学杭州国际创新研究院的实验室建设项目支持。