超越機械臂：自由漂浮航天器的無推進劑姿態機動規劃

航天器姿態控制傳統上依賴動量交換裝置（如反作用輪）或消耗推進劑的推進器。然而，隨著太空任務日益複雜，越來越多的航天器配備了機器人機械臂，用於執行在軌服務、組裝和製造等操作。長期以來，機械臂的運動被視為一種干擾，需要被姿態控制系統抵消，以免影響航天器的指向精度。但近期一項由Harsh G. Bhundiya等人提交至arXiv的研究提出了顛覆性的思路：將機械臂本身用作姿態控制的執行器，實現無推進劑機動。

該研究透過構建一個軌跡最佳化問題，將機械臂的關節運動與航天器姿態變化耦合，同時加入了關節限位和碰撞避免等關鍵約束。利用內點法求解器對非線性規劃進行求解，研究人員在多種不同運動學構型和質量特性的航天器-機械臂系統上演示了複雜的姿態調整（slew）和消旋（detumble）軌跡。為了評估這種方法的控制能力，他們透過動量和力矩包絡線將機械臂產生的控制效果與傳統的反作用輪陣列進行了直接比較。結果表明，機械臂不僅能夠作為冗餘姿態控制系統，在某些場景下甚至可以作為主控制系統使用。

這項工作的意義在於，它為航天器設計提供了一種多用途的解決方案：同一個機械臂既可用於執行操作任務，又可用於姿態控制，從而節省推進劑和硬體重量。特別是在空間組裝和製造任務中，當抓取質量相對於航天器較大的有效載荷時，機械臂的姿態控制能力尤為突出。該研究為未來的在軌服務、大型空間結構建造以及深空探測任務提供了新的技術路徑。