空間機(jī)構(gòu)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)及展望

從 強(qiáng)，羅 敏，李偉杰(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京100094)

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空間機(jī)構(gòu)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)及展望

從 強(qiáng)，羅 敏，李偉杰
(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京100094)

摘要:概述了我國(guó)空間機(jī)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展歷程，結(jié)合當(dāng)前我國(guó)航天技術(shù)的發(fā)展需求，對(duì)后繼輕質(zhì)大型展開(kāi)機(jī)構(gòu)、高精度指向機(jī)構(gòu)、智能操作機(jī)構(gòu)三個(gè)發(fā)展方向的研究概況進(jìn)行了分析。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)空間機(jī)構(gòu)的復(fù)雜度和其在航天器系統(tǒng)中的地位變化，總結(jié)出我國(guó)空間機(jī)構(gòu)單機(jī)-分系統(tǒng)-機(jī)械系統(tǒng)(平臺(tái))的發(fā)展趨勢(shì)，歸納出了目前空間機(jī)構(gòu)發(fā)展中“結(jié)構(gòu)-機(jī)構(gòu)一體化分析”、“材料-機(jī)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)”、“控制-機(jī)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)”的技術(shù)特點(diǎn)，提出了加強(qiáng)柔性機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)技術(shù)、大變形材料制備及應(yīng)用技術(shù)、微驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究，以配合新型空間機(jī)構(gòu)技術(shù)發(fā)展的建議。

關(guān)鍵詞:空間機(jī)構(gòu)；展開(kāi)機(jī)構(gòu)；指向機(jī)構(gòu)；智能機(jī)構(gòu)

1　引言

空間機(jī)構(gòu)是現(xiàn)代航天器系統(tǒng)的重要組成部分。空間機(jī)構(gòu)是指航天器及其部件或附件完成規(guī)定動(dòng)作或運(yùn)動(dòng)的機(jī)械組件[1]。空間機(jī)構(gòu)一般由壓緊釋放單元、驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)組件、控制與反饋組件、連接支撐組件5個(gè)部分組成[2]。依據(jù)基本功能，目前可以將其劃分為四類(lèi)[3]，即:連接分離機(jī)構(gòu)，如包帶、爆炸螺栓、對(duì)接機(jī)構(gòu)等；展開(kāi)鎖定機(jī)構(gòu)，如太陽(yáng)翼鉸鏈、天線(xiàn)展開(kāi)機(jī)構(gòu)等；驅(qū)動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)，如天線(xiàn)展開(kāi)機(jī)構(gòu)、機(jī)械臂關(guān)節(jié)等；緩沖與減振機(jī)構(gòu)，如著陸緩沖機(jī)構(gòu)、阻尼減振機(jī)構(gòu)等。隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展，空間機(jī)構(gòu)的具體功能和種類(lèi)正在不斷地變化與擴(kuò)大。

與地面使用的一般機(jī)構(gòu)相比，空間機(jī)構(gòu)具有以下特殊性[4]:1)空間特殊環(huán)境的適應(yīng)性:空間環(huán)境的高真空、寬幅溫度變化、強(qiáng)太陽(yáng)電磁輻射、高能粒子輻射、等離子體、微流星體、行星大氣和磁場(chǎng)等，均會(huì)對(duì)航天器材料力學(xué)性能、表面狀態(tài)、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副摩擦力、電子元器件壽命等造成影響，進(jìn)而影響空間機(jī)構(gòu)的可靠性和安全性。因此，相比于一般機(jī)構(gòu)，空間機(jī)構(gòu)需在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮各項(xiàng)空間環(huán)境的影響。2)不可維修性:雖然隨著空間技術(shù)的發(fā)展，航天飛機(jī)、空間站等飛行任務(wù)實(shí)現(xiàn)了空間飛行器的在軌維修、更換和維護(hù)，但從人類(lèi)的現(xiàn)有技術(shù)水平來(lái)看，很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)人類(lèi)發(fā)射的大部分航天器都不具有在軌維修和更換的可能性。因此，相比于一般機(jī)構(gòu)，空間機(jī)構(gòu)需要考慮材料疲勞、老化等壽命問(wèn)題，確保空間機(jī)構(gòu)能在規(guī)定的壽命時(shí)期內(nèi)可靠地工作。3)輕質(zhì)要求:由于極高的發(fā)射成本，空間飛行器對(duì)部組件重量要求極為嚴(yán)苛，空間機(jī)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)必須追求以最小的重量代價(jià)滿(mǎn)足使用要求。4)功耗限制:空間飛行器能源供給有限，對(duì)部件和設(shè)備功耗有嚴(yán)格的限制，空間機(jī)構(gòu)工作不宜造成很大的電功率消耗。上述特殊性使得空間機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與地面一般機(jī)構(gòu)有很大的區(qū)別，因此有必要對(duì)其研制歷程和研制特點(diǎn)進(jìn)行歸納總結(jié)。

本文歸納了我國(guó)空間機(jī)構(gòu)的發(fā)展階段，歷數(shù)了我國(guó)空間機(jī)構(gòu)發(fā)展歷程中的重要節(jié)點(diǎn)，結(jié)合當(dāng)前我國(guó)航天技術(shù)的發(fā)展需求，概括了后繼若干發(fā)展方向的研究動(dòng)態(tài)；并由此總結(jié)出空間機(jī)構(gòu)單機(jī)-分系統(tǒng)-機(jī)械系統(tǒng)(平臺(tái))的發(fā)展趨勢(shì)和技術(shù)特點(diǎn)，旨在為我國(guó)空間機(jī)構(gòu)的研究提供借鑒和參考。

2　我國(guó)空間機(jī)構(gòu)發(fā)展歷程

我國(guó)空間機(jī)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展，可根據(jù)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的復(fù)雜性及其在航天器系統(tǒng)中的組成地位，從1970年至今為止大致分為三個(gè)階段:

2. 1 起步階段

20世紀(jì)70至80年代，是我國(guó)空間機(jī)構(gòu)的起步階段，該階段研制的空間機(jī)構(gòu)產(chǎn)品形式簡(jiǎn)單、功能單一，在航天器系統(tǒng)中以單機(jī)產(chǎn)品的形式存在，這一階段的主要標(biāo)志性節(jié)點(diǎn)包括:

1970年我國(guó)第一顆人造地球衛(wèi)星東方紅一號(hào)[5]，應(yīng)用了我國(guó)首個(gè)衛(wèi)星空間機(jī)構(gòu)-桿狀天線(xiàn)及觀測(cè)裙，該機(jī)構(gòu)依靠自旋慣性展開(kāi)，如圖1所示。

1981年，實(shí)踐二號(hào)衛(wèi)星[6]實(shí)現(xiàn)了我國(guó)首個(gè)可展開(kāi)太陽(yáng)帆板在軌展開(kāi)，如圖2所示。

1984年，東方紅二號(hào)衛(wèi)星[7]，首次成功使用了包帶式星箭連接分離裝置和天線(xiàn)消旋機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)星箭分離和自旋穩(wěn)定衛(wèi)星的天線(xiàn)對(duì)地定向功能，如圖3所示。

圖1　“東方紅一號(hào)”衛(wèi)星[5]Fig. 1 DFH-1 satellite[5]

圖2　實(shí)踐二號(hào)衛(wèi)星[6]Fig. 2 SJ-2 satellite[6]

圖3　東方紅二號(hào)衛(wèi)星[7]Fig. 3 DFH-2 satellite[7]

2. 2 快速發(fā)展階段

20世紀(jì)90年代到21世紀(jì)初，是我國(guó)空間機(jī)構(gòu)的快速發(fā)展階段。該階段空間機(jī)構(gòu)產(chǎn)品在我國(guó)航天器上得以大量運(yùn)用，形成了連接分離機(jī)構(gòu)、展開(kāi)鎖定機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)指向機(jī)構(gòu)、緩沖減振機(jī)構(gòu)等功能類(lèi)別和產(chǎn)品系列。機(jī)構(gòu)產(chǎn)品在部分航天器上，以獨(dú)立分系統(tǒng)出現(xiàn)，如神舟八號(hào)對(duì)接機(jī)構(gòu)分系統(tǒng)和嫦娥三號(hào)著陸緩沖分系統(tǒng)等。這一階段的主要標(biāo)志性節(jié)點(diǎn)包括:

1999年發(fā)射的神舟號(hào)載人飛船系列，在結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)分系統(tǒng)中包含了24種74臺(tái)(套)機(jī)構(gòu)產(chǎn)品。其中，火工鎖[8]、座椅緩沖器[9]等多種機(jī)構(gòu)均為首次應(yīng)用，如圖4所示，這些機(jī)構(gòu)的研制極大地促進(jìn)了我國(guó)空間機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)水平的提升。

圖4　神舟號(hào)飛船艙段連接分離用火工鎖[8]Fig.4 Pyrotechnic separator for China SHENZHOU spaceship modules connection and separation[8]

2000年，在中星22號(hào)01星上，我國(guó)首個(gè)自主研制的大型套筒式天線(xiàn)展開(kāi)機(jī)構(gòu)在軌成功展開(kāi)[10]。2006年，中星22號(hào)02星應(yīng)用了雙軸天線(xiàn)指向機(jī)構(gòu)，是我國(guó)首個(gè)在軌應(yīng)用的雙軸指向機(jī)構(gòu)[11]。2006年，遙感衛(wèi)星一號(hào)首個(gè)星載大型可展桁架天線(xiàn)機(jī)構(gòu)在軌展開(kāi)，突破了大型桁架展開(kāi)機(jī)構(gòu)技術(shù)[12]。2007年，“尼日利亞通信衛(wèi)星1號(hào)”應(yīng)用的東方紅四號(hào)衛(wèi)星平臺(tái)大型太陽(yáng)翼和大型拋物面天線(xiàn)[13]，是我國(guó)大型空間伸展機(jī)構(gòu)的標(biāo)志性成果之一，如圖5所示。

圖5　尼日利亞通信衛(wèi)星1號(hào)[13]Fig. 5 Nigcomsat-1[13]

2011年，天宮一號(hào)/神舟八號(hào)任務(wù)首次成功實(shí)現(xiàn)在軌對(duì)接[14]，使我國(guó)突破了空間交會(huì)對(duì)接技術(shù)，如圖6所示。

圖6　神舟八號(hào)飛船與天官一號(hào)目標(biāo)飛行器對(duì)接模擬圖[14]Fig. 6 Rendezvous process simulation of SZ-8 spaceship and TG-1 target spacecraft[14]

2. 3 深入發(fā)展階段

21世紀(jì)初至今，是我國(guó)空間機(jī)構(gòu)深入發(fā)展階段，該階段空間機(jī)構(gòu)的發(fā)展特點(diǎn)是逐步與材料、控制、信息等技術(shù)融合，形成了諸如智能操作機(jī)器人、地外行走巡視器的復(fù)雜航天器機(jī)械系統(tǒng)(平臺(tái))。同時(shí)，空間機(jī)構(gòu)開(kāi)始以航天器主載荷或平臺(tái)的角色出現(xiàn)，在航天器系統(tǒng)中地位進(jìn)一步提升。這一階段的主要標(biāo)志性節(jié)點(diǎn)是:2013年，嫦娥三號(hào)采用著陸緩沖機(jī)構(gòu)和主結(jié)構(gòu)構(gòu)成著陸器平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)首次地外星體著陸[15]，如圖7。其月面巡視器作為移動(dòng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)首次地外巡視探測(cè)[16]，如圖8。

圖7　嫦娥三號(hào)著陸緩沖機(jī)構(gòu)[15]Fig. 7 Landing gear for Chang’E-3[15]

除了上述已經(jīng)在軌獲得應(yīng)用的空間機(jī)構(gòu)外，目前我國(guó)在研的部分空間機(jī)構(gòu)，如空間站大型機(jī)械臂系統(tǒng)、嫦娥五號(hào)月球表面采樣鉆取機(jī)構(gòu)、空間站超大功率柔性太陽(yáng)翼等，作為航天器的主載荷或者重要分系統(tǒng)，均體現(xiàn)出復(fù)雜空間機(jī)械系統(tǒng)(平臺(tái))的特點(diǎn)。

圖8　嫦娥三號(hào)月面巡視器[16]Fig. 8 Chang'E-3 lunar rover[16]

3　空間機(jī)構(gòu)后繼發(fā)展方向及國(guó)外研究進(jìn)展

隨著我國(guó)航天技術(shù)的快速發(fā)展，后繼以空間站、深空探測(cè)等為代表的空間任務(wù)，其任務(wù)和系統(tǒng)高度復(fù)雜，對(duì)空間機(jī)構(gòu)的功能、性能、壽命等要求越來(lái)越高，對(duì)重量、體積、功耗等限制越來(lái)越嚴(yán)格。為了實(shí)現(xiàn)多功能、高精度、輕質(zhì)化，空間機(jī)構(gòu)引入越來(lái)越多的控制、測(cè)量、信息、材料等領(lǐng)域的新技術(shù)和新方法，空間機(jī)構(gòu)技術(shù)從傳統(tǒng)的機(jī)構(gòu)與力學(xué)學(xué)科領(lǐng)域，向多學(xué)科交叉融合的方向發(fā)展，擴(kuò)展成為高度復(fù)雜的空間機(jī)械系統(tǒng)。這一發(fā)展趨勢(shì)，在大型輕質(zhì)展開(kāi)機(jī)構(gòu)、高精度指向機(jī)構(gòu)、智能操作機(jī)構(gòu)三類(lèi)復(fù)雜的空間機(jī)械系統(tǒng)的發(fā)展中體現(xiàn)的十分明顯。

3. 1 輕質(zhì)大型展開(kāi)機(jī)構(gòu)研究進(jìn)展

空間展開(kāi)機(jī)構(gòu)是空間機(jī)構(gòu)中廣泛應(yīng)用的一個(gè)分支，這種機(jī)構(gòu)在航天器發(fā)射及動(dòng)力飛行階段能可靠收攏于有限的包容空間內(nèi)，而在動(dòng)力飛行結(jié)束后的某一指定軌道上可伸展為預(yù)定的空間構(gòu)型承受載荷。大型航天器對(duì)空間展開(kāi)機(jī)構(gòu)的需求旺盛，傳統(tǒng)的展開(kāi)機(jī)構(gòu)一般依靠鉸鏈、電機(jī)等驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，將被展開(kāi)部件連接起來(lái)并實(shí)現(xiàn)展開(kāi)與鎖定的功能，這種機(jī)械展開(kāi)的方式難以適應(yīng)幾十米甚至數(shù)百米尺度的高收納比、輕質(zhì)大型展開(kāi)機(jī)構(gòu)的要求。目前，大口徑、高精度、輕質(zhì)量的可展開(kāi)天線(xiàn)正成為可展開(kāi)天線(xiàn)的發(fā)展趨勢(shì)，主要技術(shù)發(fā)展方向包括:

3. 1. 1 材料自展開(kāi)技術(shù)

利用特殊金屬、復(fù)合材料的彈性大變形能力，可以驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)變形和展開(kāi)。同時(shí)展開(kāi)后材料本身作為結(jié)構(gòu)一部分具有承載功能。這種方式集收攏、驅(qū)動(dòng)、承載等多功能于一體，去除了機(jī)械鉸鏈等環(huán)節(jié)，從而極大地簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)組成、降低展開(kāi)系統(tǒng)重量，提升可靠性。圖9為德國(guó)宇航局(DRL)研制的由大變形復(fù)合材料驅(qū)動(dòng)的薄膜展開(kāi)機(jī)構(gòu)[17]。[17]

圖9　DRL薄膜展開(kāi)天線(xiàn)樣機(jī)Fig. 9 DRL’s membrane deployable antenna implementation[17]

形狀記憶復(fù)合材料在加熱材料后對(duì)材料施加外力使材料形狀改變，材料冷卻后撤去外力，則改變后的形狀得以保持；在軌時(shí)再次將材料加熱，材料自行恢復(fù)最初形狀實(shí)現(xiàn)展開(kāi)。利用這種原理實(shí)現(xiàn)的展開(kāi)機(jī)構(gòu)，具有重量輕、精度高、活動(dòng)部件少的優(yōu)點(diǎn)[18]。圖10為美國(guó)CTD公司研發(fā)的整體旋轉(zhuǎn)拋物面形可展開(kāi)天線(xiàn)[19]，整個(gè)展開(kāi)機(jī)構(gòu)都是由形狀記憶復(fù)合材料設(shè)計(jì)而成。

圖10　CTD公司基于形狀記憶復(fù)合材料的展開(kāi)天線(xiàn)[19]Fig. 10 CTD’s deployable antenna based on shape memory polymer composites[19]

3. 1. 2 充氣展開(kāi)技術(shù)

發(fā)射前將柔性材料收納成很小的體積，進(jìn)入軌道后，通過(guò)氣體使結(jié)構(gòu)膨脹至展開(kāi)狀態(tài)。這種方式突出的特點(diǎn)是收納率大，質(zhì)量小，展開(kāi)可靠性高，口徑適應(yīng)范圍廣。這種技術(shù)的突出代表是L’Garde公司直徑14 m的充氣展開(kāi)天線(xiàn)[20]，1996年在軌展開(kāi)獲得了圓滿(mǎn)成功，如圖11示。

3. 1. 3 空間在軌制造技術(shù)

圖11　L’Garde公司充氣展開(kāi)天線(xiàn)[20]Fig. 11 L‘Garde’s inflatable-deployable antenna[20]

3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，為空間大型展開(kāi)結(jié)構(gòu)提供了一種全新的設(shè)計(jì)思路。設(shè)計(jì)師不再需要考慮復(fù)雜的折疊與收納過(guò)程，只需將原材料攜帶至空間，在軌打印出所需的構(gòu)型。這種技術(shù)目前尚處于概念研究階段，2013年，美國(guó)NASA風(fēng)投了SpiderFab項(xiàng)目，目標(biāo)是設(shè)計(jì)空間多足裝配機(jī)器人，可以在空間3D打印一維長(zhǎng)桿，再通過(guò)機(jī)器手進(jìn)行組裝形成桁架結(jié)構(gòu)[21]，如圖12所示。可以預(yù)見(jiàn)，這一技術(shù)一旦實(shí)用化，將徹底顛覆現(xiàn)有展開(kāi)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)思路。

圖12　“SpiderFab Bot”在衛(wèi)星上建造支撐結(jié)構(gòu)示意圖[21]Fig. 12 Concept for a“SpiderFab Bot”constructing a support structure onto a satellite[21]

3. 2 高精度指向機(jī)構(gòu)研究進(jìn)展

指向機(jī)構(gòu)是空間機(jī)構(gòu)的重要一種，可以實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)對(duì)目標(biāo)的實(shí)時(shí)跟蹤、定位等功能，從而滿(mǎn)足星地與星間的通信與數(shù)據(jù)傳輸、各類(lèi)雷達(dá)與觀測(cè)器等對(duì)指向和定位的需求[1]。傳統(tǒng)的指向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，主要采用步進(jìn)電機(jī)與諧波齒輪傳動(dòng)組合的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)指向定位功能。這種方式受電機(jī)控制精度、機(jī)構(gòu)裝配精度的限制，已經(jīng)不能適應(yīng)后繼高精度遙感、遠(yuǎn)距離激光通信等角秒級(jí)的指向精度要求。新型高精度指向機(jī)構(gòu)正成為指向機(jī)構(gòu)的發(fā)展方向，主要技術(shù)發(fā)展方向包括:

3. 2. 1 并聯(lián)機(jī)構(gòu)技術(shù)

與串聯(lián)機(jī)構(gòu)相比，并聯(lián)機(jī)構(gòu)屬于并聯(lián)冗余運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，具有更高的剛度和運(yùn)動(dòng)精度，能夠有效地降低系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)誤差，但其機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)控制方法也更為復(fù)雜[22]。圖13是PI公司研制的六支鏈小型并聯(lián)指向機(jī)構(gòu)[23]，工作空間為40 mm×40 mm× 13 mm，重復(fù)定位精度可達(dá)到0. 5 μm。

圖13　PI公司六自由度并聯(lián)指向機(jī)構(gòu)[23]Fig. 13 PI’s six strut positioner[23]

3. 2. 2 微驅(qū)動(dòng)技術(shù)

采用新型的驅(qū)動(dòng)元件代替步進(jìn)電機(jī)，提高驅(qū)動(dòng)精度也是提升指向機(jī)構(gòu)精度的重要途徑之一。以壓電驅(qū)動(dòng)器和音圈電機(jī)等作為動(dòng)力源，具有驅(qū)動(dòng)范圍小、位移精度高(亞微米甚至納米級(jí))、動(dòng)態(tài)范圍寬等特點(diǎn)，適合于空間小但精度要求高的場(chǎng)合，正成為指向機(jī)構(gòu)的新的驅(qū)動(dòng)元件。M5場(chǎng)穩(wěn)定裝置(M5FU)[24]是為歐洲超大型望遠(yuǎn)鏡(EELT)設(shè)計(jì)的一種快速修正光學(xué)系統(tǒng)，為由望遠(yuǎn)鏡動(dòng)態(tài)指向誤差和大氣風(fēng)擾引起的光學(xué)偏差提供自適應(yīng)修正。其利用壓電驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，動(dòng)作半徑為830 mm，分辨率達(dá)到20 nm，如圖14所示。

圖14　M5FU設(shè)計(jì)和實(shí)物[24]Fig. 14 M5FU design and implementation[24]

3. 2. 3 柔性鉸鏈技術(shù)

與常規(guī)的球鉸、萬(wàn)向節(jié)等機(jī)械活動(dòng)關(guān)節(jié)相比，柔性機(jī)構(gòu)可整體化設(shè)計(jì)和加工，不需要軸承，因此可以減小機(jī)構(gòu)體積，實(shí)現(xiàn)無(wú)間隙、無(wú)摩擦、高精度的運(yùn)動(dòng)[25]。柔性鉸鏈已經(jīng)發(fā)展出多種形式，可模擬球鉸、萬(wàn)向節(jié)等多種形式的運(yùn)動(dòng)副，近年來(lái)逐步走向航天應(yīng)用。圖15為RUAG公司用于并聯(lián)指向機(jī)構(gòu)的柔性鉸鏈[26]。

圖15　RUAG公司在柔性指向機(jī)構(gòu)上使用的柔性鉸鏈[26]Fig. 15 RUAG’s flexure hinges on reflector trimming mechanism[26]

3. 3 智能操作機(jī)構(gòu)研究進(jìn)展

智能操作機(jī)構(gòu)用于輔助或代替航天員執(zhí)行空間任務(wù)，主要包括空間機(jī)械臂、空間機(jī)器人和巡視探測(cè)器等。與有人值守航天器相比，采用智能操作機(jī)構(gòu)在成本、效率等方面均有巨大的優(yōu)勢(shì)，因此在國(guó)際空間站、火星探測(cè)等任務(wù)中得到廣泛而成功的應(yīng)用[27]。該方向研究進(jìn)展包括:

3. 3. 1 智能機(jī)械臂系統(tǒng)

機(jī)械臂是應(yīng)用最為廣泛的空間機(jī)器人系統(tǒng)，目前已應(yīng)用于空間站大型艙段在軌組裝、來(lái)訪飛行器捕獲與對(duì)接、貨物搬運(yùn)、輔助航天員艙外活動(dòng)等任務(wù)[28]。在空間合作目標(biāo)在軌抓捕、模塊更換、在軌加注、接管控制以及非合作翻滾目標(biāo)的抓捕和轉(zhuǎn)移等任務(wù)也有明確需求[29]。此外行星及小行星地外天體采樣、取樣及放樣等任務(wù)需求。目前廣為人知的是國(guó)際空間站使用的加拿大SRMS(Shuttle Remote Manipulator System)[30]。除此以外，國(guó)際空間站還將配備歐洲航天局和俄羅斯航天局聯(lián)合開(kāi)發(fā)的機(jī)械臂ERA[31]，如圖16所示。以及日本研制的實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂系統(tǒng)JEMRMS[32]。

圖16　ERA機(jī)械臂組成[31]Fig. 16 Overall ERA arm architecture[31]

圖17　ROBONAUT2[33]Fig. 17 ROBONAUT2[33]

3. 3. 2 智能機(jī)器人

智能雙臂或多臂空間機(jī)器人系統(tǒng)，可以應(yīng)用于空間站艙內(nèi)外精細(xì)操作、設(shè)備更換、在軌加注、空間大型載荷搬運(yùn)及組裝操作、空間載荷試驗(yàn)等復(fù)雜人機(jī)交互操作需要。NASA和GM研制機(jī)器人航天員ROBONAUT2[33]，如圖17所示，是2011年進(jìn)入國(guó)際空間站的第一個(gè)面向在軌服務(wù)的仿人空間機(jī)器人系統(tǒng)。上半身共42自由度，雙目視覺(jué)，多指靈巧手；下半身雙腿14個(gè)自由度。

3. 3. 3 巡視探測(cè)器

巡視探測(cè)器在地外天體巡視探測(cè)中得到了廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的巡視探測(cè)器以輪式探測(cè)器為主，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，在月球和火星探測(cè)中取得了大量的應(yīng)用。與輪式探測(cè)器相比，腿式機(jī)構(gòu)具有很強(qiáng)的地形適應(yīng)能力，在復(fù)雜的巖石地貌和松軟的土質(zhì)表面不易卡陷。例如卡內(nèi)基一梅隆大學(xué)(CMU)研制的Ambler火星漫游車(chē)可使機(jī)器人始終保持水平的狀態(tài)[34]。輪腿式混合結(jié)構(gòu)探測(cè)器結(jié)合了輪式機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度快、作業(yè)范圍大和腿式機(jī)構(gòu)地形適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，是后繼巡視探測(cè)器發(fā)展的方向[35]。德國(guó)研究的ALDURO輪腿式機(jī)器人，具有兩個(gè)足和兩個(gè)輪子。并且兩個(gè)輪子在必要的時(shí)候可以成為足，變換為四足步行機(jī)器人[36]，如圖18所示。

4　空間機(jī)構(gòu)發(fā)展趨勢(shì)、技術(shù)特點(diǎn)和研究建議

4. 1 發(fā)展趨勢(shì)

回顧我國(guó)空間機(jī)構(gòu)發(fā)展歷程和后繼發(fā)展方向，從航天器系統(tǒng)組成來(lái)看，空間機(jī)構(gòu)呈現(xiàn)單機(jī)產(chǎn)品-機(jī)構(gòu)分系統(tǒng)-機(jī)械系統(tǒng)(平臺(tái))的發(fā)展趨勢(shì)。

圖18　ALDURO輪腿式機(jī)器人兩種狀態(tài)[36]Fig. 18 Two possible configurations of the Walking Machine ALDURO[36]

1)單機(jī)產(chǎn)品階段，機(jī)構(gòu)功能局限于單一功能的實(shí)現(xiàn)，例如，東方紅二號(hào)衛(wèi)星包帶式星箭連接分離裝置的功能為星箭分離[1]，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)以運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)和力學(xué)設(shè)計(jì)為主。

2)機(jī)構(gòu)分系統(tǒng)階段，機(jī)構(gòu)功能以某一類(lèi)別(連接分離、緩沖減振等)為主體，比如嫦娥三號(hào)著陸緩沖分系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)著陸器月面軟著陸為主要功能[15]，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅要考慮機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)功能，還需要作為分系統(tǒng)參與總體布局設(shè)計(jì)等，直接影響整個(gè)航天器系統(tǒng)設(shè)計(jì)和任務(wù)規(guī)劃。

3)機(jī)械系統(tǒng)(平臺(tái))階段，機(jī)構(gòu)功能綜合化、復(fù)雜化，已不再局限于運(yùn)動(dòng)和力學(xué)功能，擴(kuò)展至行走、探測(cè)、操作等多種功能，例如空間站機(jī)械臂系統(tǒng)，需實(shí)現(xiàn)空間展開(kāi)、操作、組裝、捕獲等多種功能[28]，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)以多功能系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)、機(jī)電熱控制等多學(xué)科綜合設(shè)計(jì)為主。

4. 2 技術(shù)特點(diǎn)

從空間機(jī)構(gòu)發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，隨著空間機(jī)構(gòu)發(fā)展至機(jī)械系統(tǒng)(平臺(tái))，新型空間機(jī)構(gòu)與傳統(tǒng)空間機(jī)構(gòu)相比，在設(shè)計(jì)技術(shù)上具有“三個(gè)一體化”特點(diǎn):

1)大量柔性附件、充氣結(jié)構(gòu)、柔性鉸鏈等構(gòu)件的引入，使得空間機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程無(wú)法采用剛體機(jī)械運(yùn)動(dòng)表述，因此在機(jī)構(gòu)分析建模必須充分考慮結(jié)構(gòu)剛度和變形的影響，使空間機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)-機(jī)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)分析的特點(diǎn)；

2)大變形材料等材料的引入，使得在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須考慮材料力學(xué)特性等因素，將材料變形與機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)統(tǒng)籌考慮，使空間機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)呈現(xiàn)材料-機(jī)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)分析的特點(diǎn)；

3)新一代高精度并聯(lián)指向機(jī)構(gòu)、智能機(jī)構(gòu)等，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)不再沿事先設(shè)計(jì)的路徑進(jìn)行，而是實(shí)時(shí)感知外界參數(shù)，由控制系統(tǒng)根據(jù)反饋參數(shù)實(shí)時(shí)控制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，使空間機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)呈現(xiàn)控制-機(jī)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)與分析的特點(diǎn)。

4. 3 發(fā)展建議

上述三個(gè)特點(diǎn)，使得傳統(tǒng)的由構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)副組成的空間機(jī)構(gòu)正在向著與材料、信息、控制等多學(xué)科高度融合的復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)轉(zhuǎn)變，這種轉(zhuǎn)變將帶動(dòng)一批新的研究熱點(diǎn)，建議應(yīng)增強(qiáng)以下方面的研究工作，以配合新型空間機(jī)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展:

1)柔性機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)技術(shù)。傳統(tǒng)剛體動(dòng)力學(xué)分析和設(shè)計(jì)方法將不再滿(mǎn)足具有高度柔性化特征的新型大型展開(kāi)機(jī)構(gòu)等的設(shè)計(jì)與分析，剛?cè)狁詈戏治觥⑷嵝苑治鰧⒊蔀閯?dòng)力學(xué)領(lǐng)域服務(wù)于空間機(jī)構(gòu)的重要發(fā)展方向。

2)大變形材料制備、成形及應(yīng)用技術(shù)。大變形復(fù)合材料、形狀記憶復(fù)合材料等新材料的空間應(yīng)用，將推動(dòng)相關(guān)材料的設(shè)計(jì)、測(cè)試、分析一系列技術(shù)的研究與發(fā)展。

3)微驅(qū)動(dòng)技術(shù)。高精度指向機(jī)構(gòu)將對(duì)長(zhǎng)壽命、耐空間環(huán)境的壓電、音圈電機(jī)等微驅(qū)動(dòng)技術(shù)提出強(qiáng)烈的需求，從而推動(dòng)材料、控制、測(cè)試等一系列相關(guān)產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的進(jìn)步。

4)智能控制和模糊控制技術(shù)。復(fù)雜空間智能操作機(jī)構(gòu)的發(fā)展，將推動(dòng)自主控制、智能算法、空間感知等領(lǐng)域的發(fā)展，進(jìn)而促進(jìn)新型傳感器、控制算法、軟件技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步。

5　結(jié)束語(yǔ)

空間機(jī)構(gòu)技術(shù)在我國(guó)經(jīng)過(guò)四十余年的發(fā)展，呈現(xiàn)了單機(jī)產(chǎn)品-分系統(tǒng)-機(jī)械系統(tǒng)(平臺(tái))的發(fā)展趨勢(shì)，在航天器系統(tǒng)中的重要性不斷提升。當(dāng)前，空間機(jī)構(gòu)技術(shù)呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)-機(jī)構(gòu)、材料-機(jī)構(gòu)、控制-機(jī)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)的新特點(diǎn)，使得空間機(jī)構(gòu)的功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)。材料、控制、信息、制造等相關(guān)學(xué)科和技術(shù)的不斷進(jìn)步與融合，為空間機(jī)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展提供了新的方向。與此同時(shí)，未來(lái)各種大型空間復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)也將帶動(dòng)多個(gè)學(xué)科的研究與發(fā)展。

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·空間智能機(jī)構(gòu)技術(shù)·

Development trends and prospects of space mechanism

CONG Qiang，LUO Min，LI Weijie
(Beijing Institute of Spacecraft Systems Engineering，Beijing 100094，China)

Abstract:The development history of Chinese space mechanism technology was summarized in this paper. Three research hotspots such as lightweight-large deployment mechanism，high pointing accuracy position mechanism and smart operating mechanism were introduced，considering the application requirements of China space technology. According to the complexity of space mechanism and its role in spacecraft systems，the development trends of space mechanism from single devices to subsystems to mechanical systems(platform) were summarized. In the end，the technical characteristics of space mechanism development: structure-mechanism integrated simulation，material-mechanism integrated design，control-mechanism integrated design were suggested. The necessity and importance in strengthen the research on flexible structure dynamics analysis，large deformation material manufacture and forming，microdriving technique were put forward.

Key words:space mechanism；deployment mechanism；pointing mechanism；smart mechanism

作者簡(jiǎn)介:從強(qiáng)(1973 - )，男，碩士，研究員，研究方向?yàn)榭臻g機(jī)構(gòu)技術(shù)。E-mail:qiangcong@ sohu. com

基金項(xiàng)目:民用航天技術(shù)預(yù)先研究項(xiàng)目(D020105)

收稿日期:2015-11-09；修回日期:2016-01-02

中圖分類(lèi)號(hào):V423

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1674-5825(2016)01-0001-08