國外在軌裝配技術發展簡析

（中國航天系統科學與工程研究院）

國外在軌裝配技術發展簡析

Development Analysis of Foreign On-orbit Assembly Technologies

賈平（中國航天系統科學與工程研究院）

2016年，歐洲航天局（ESA）將資助研究立方星在軌自主交會對接技術，擬在此基礎上發展利用多顆立方星在軌自主裝配成大型航天器的技術。2015年，美國公布了多個在軌裝配技術項目：美國航空航天局（NASA）于7月宣布開展“大型結構系統太空裝配”（SALSSA）項目；勞拉空間系統公司（SS/L）在8月被美國國防高級研究計劃局（DARPA）授予用于在軌自主裝配地球靜止軌道通信衛星的“蜻蜓”（Dragonfly）項目合同；11月，NASA在“臨界點”（Tipping Point）計劃規劃的“航天器與空間結構的機器人太空制造與裝配”主題下授出了3份合同，其中包括與勞拉空間系統公司合作開展“蜻蜓”項目地面演示和飛行演示驗證。在軌裝配技術將成為低成本快速部署航天器的途徑之一，推動大型高性能航天器（例如大型深空探測補給站和空間望遠鏡）的發展，是以美國為主的、多個國家大力發展的重要在軌服務技術。

1 在軌裝配的層次

在軌裝配是指在太空中將不同的部件連接構建成一個結構、子系統、子系統單元體等空間設施，或把一個或多個結構分離后進行重新組合。包括航天器、空間系統和空間結構的在軌構建、替換、連接、組合或重組，小到模塊更換、電池陣、天線等的安裝與展開，大到大型獨立艙段的在軌對接，以及更大規模的大型空間結構的構建。根據在軌裝配任務對象的規模，將航天器在軌裝配任務從頂層到底層劃分為5個層次。

2 發展水平與進展

對于航天器組合層級的在軌裝配，“國際空間站”與后勤補給航天器的自動對接應用較為成熟；以可替換模塊的自主裝配為代表的功能擴展層級在軌裝配已完成演示驗證；“鳳凰”計劃是代表整星組裝及模塊組裝層級的較為先進的、進展較大的典型在軌裝配計劃；大型結構的無人自主裝配技術驗證亦在本文中被歸為模塊組裝層級，雖然尚在規劃發展中，但太空增材制造技術（即適用于太空環境下的3D打印技術）的發展使衛星零部件和大型結構有望在未來幾年實現在軌制造。

航天器組合層級的自主裝配應用較為成熟

交會對接技術是自主裝配尤其是航天器組合層級自主在軌裝配必不可少的基礎技術。“國際空間站”與補給航天器的自動對接是航天器組合層級的自主裝配應用的典型代表。由歐洲航天局研發的“自動轉移飛行器”在2008年與“國際空間站”完成完全自動對接與貨物補給，成為歐洲首個與“國際空間站”完成自動對接的航天器。自動轉移飛行器在緊急情況下能啟動避碰預編程序。日本的H-2轉移飛行器同樣與“國際空間站”進行了多次自動對接，完成補給任務。

部分可替換模塊通過機械臂完成自主裝配演示驗證

日本的工程試驗衛星-7是世界首個采用機械臂的在軌服務驗證任務，通過一個可替換模塊模擬多種可替換模塊的更換，驗證了利用機械臂進行可替換模塊更換技術，以及組裝桁架結構、裝配試驗天線等裝配技術；美國國防高級研究計劃局資助的“軌道快車”（Orbital Express）完成了包括服務星“自主空間傳送機器人軌道器”（ASTRO）與目標星“下一代可接受服務衛星”（NEXTSat）的自主交會對接及更換電源可替換模塊和姿態控制計算機可替換模塊在內的所有演示任務；“試驗衛星系統”（XSS）計劃中的試驗衛星系統-12（XSS-12）計劃將采用1顆小衛星為母星提供非對接繞飛服務，另外1顆小衛星與母星完成對接，實際是母星與可替換模塊的對接。

航天器在軌裝配層次

整星在軌裝配處于研發試驗階段

通過衛星的零部件或模塊在軌裝配成整星方面，僅有“鳳凰”計劃即將進行在軌飛行試驗。美國國防高級研究計劃局“鳳凰”計劃設想發射具有衛星某一分系統級或部件級的模塊化“細胞星”進入地球靜止軌道（GEO），利用空間機器人將其安裝到廢棄衛星的天線上，再將安裝有“細胞星”的天線拆卸下來構成新衛星，將其拖至目標軌道釋放。2015年12月，“國際空間站”對美國諾瓦沃克斯公司（NovaWurks）為“鳳凰”研發的“高度集成的細胞星”（HISat）模塊進行了“細胞星初始任務試驗”（SIMPL）。2016年1月，諾瓦沃克斯公司宣布擬在2016年將“高度集成的細胞星”發射至近地軌道進行演示驗證。

除“鳳凰”計劃外，美國在2015年新啟動了若干以整星在軌裝配為遠期目標的項目。2015年8月，美國太空制造公司（Made in Space）與納諾萊克斯公司（NanoRacks）計劃合作開展“存儲與部署”計劃，將利用納諾萊克斯公司的立方體衛星部署技術和太空制造公司的太空增材制造能力，提供在太空環境下按需制造、組裝與部署立方體衛星的服務。此外，“蜻蜓”項目擬在軌自主裝配尺寸更大、能力更強的地球靜止軌道通信衛星，重點研究在軌裝配與重構衛星的大型射頻反射器。

大型結構的機器人裝配正在規劃中

大型結構的自主裝配尚未實現成熟應用，但已有多個計劃擬提供相關在軌裝配服務。2015年7月，NASA啟動“大型結構系統太空裝配”（SALSSA）項目，旨在實現大型模塊化結構系統在太空中的自動裝配、服務保障、翻新、重構以及再利用；該項目采用新型裝配與再設計模式，面向三類可升級和重構的系統：大型空間天文臺、太陽能推進系統的兆瓦級太陽能電池陣以及火星任務組部件；NASA“臨界點”計劃下的“多功能太空機器人精密制造與裝配系統”（俗稱“建筑師”）將于2018年演示驗證在軌增材制造與裝配大型、復雜結構的能力，“蜻蜓”項目同樣重點關注大型射頻反射器的在軌裝配與重構。

“大型結構系統太空裝配”項目概念圖

大型結構的在軌制造處于地面試驗演示階段

在地面建造并集成所有部件后，將航天器整體發射入軌的航天器制造模式昂貴且耗時，且航天器尺寸受火箭整流罩體積限制。2016年3月，“天鵝座”（Cygnus）飛船將太空制造公司研制的首臺商用“增材制造設備”（AMF）送入“國際空間站”。但該設備的尺寸有限，能夠制造的零部件尺寸也有限，而且適用于“國際空間站”外的完全真空環境下的增材制造技術尚在地面試驗階段。美國系繩無限公司（TUI）正在研究的在軌制造系統——“蜘蛛制造”，將利用蜘蛛狀機器人在軌進行大型空間結構如天線、電池板、桁架和其他多功能結構的制造與組裝。只需要將原材料送入軌道，即可由機器人利用增材制造技術在軌制造，并將制造的零部件裝配成大型系統。“蜘蛛制造”已完成機器人樣機制造，進行了地面演示，驗證了“蜘蛛制造”概念關鍵工藝的基本可行性，正在制造第二代機器人原型。此外，“臨界點”計劃中的“建筑師”、“存儲與部署”立方體衛星項目同樣采用了太空增材制造技術。

3 技術途徑

航天器組合層級的在軌裝配主要利用先進傳感導航設備進行交會對接實現；航天器的功能擴展主要通過艙段與航天器交會對接或利用空間機器人對在軌航天器進行模塊補加實現；對于整星組裝層次，“鳳凰”計劃通過細胞星模塊聚合和構型重組的方式實現；對于模塊組裝層次，“鳳凰”計劃的細胞星模塊聚合方式同樣是典型代表；在軌制造主要通過真空增材制造設備或機器人在國際空間或在軌制造實現。

整星組裝與模塊組裝的技術途徑

以“鳳凰”計劃為代表的模塊組裝以基于“壁虎爪”粘附原理的技術為基礎，以細胞星模塊聚合方式組裝，將多個具有子系統級功能的單功能細胞星聚合成具有多個子系統功能的系統級細胞星，以及將系統級細胞星聚合成具有更強功能的系統級細胞星聚合體。

“鳳凰”計劃的整星組裝除了模塊聚合外，還利用服務航天器的“前端機器人使能近期演示驗證”（FREND）機械臂和柔性關節機械臂等多個機械臂協同進行構型重組。機械臂將細胞星裝配到廢棄衛星天線上，并將由廢棄衛星天線和安裝在其上的細胞星一同切割下來，重新組成新衛星。

在軌制造的技術途徑

目前在軌制造主要通過真空增材制造技術實現。一是通過在“國際空間站”上的增材制造設備制造零部件，在軌真空增材制造區別于地面增材制造技術的核心在于保證真空環境下制造零部件的力學性能；二是通過在軌機器人制造。“蜘蛛制造”計劃中采用方案是具有增材制造功能的多臂機器人，該機器人從一個“噴絲器”排出并熔合碳纖維條，像地球上織網的蜘蛛一樣沿著桁架網絡爬動，能以5cm/min的速度大量生產桁架并集成制造出整個物體。

4 發展趨勢

通過模塊化結構發展航天器零部件的自主在軌裝配

在軌裝配標準模塊化的航天器結構的技術復雜度更低、周期更短，更易實現航天器的零部件裝配應用，多個計劃正在研究或驗證標準模塊化的設計思想。“鳳凰”計劃中的細胞星采用標準模塊化的設計理念，是模塊化在軌裝配的典型代表；工程試驗衛星-7、“試驗衛星系統”等多項在軌服務計劃演示驗證了自主裝配可替換模塊技術；“存儲與部署”計劃亦從具有模塊化結構的立方體衛星為起點探索在軌裝配衛星的可行性。

發展大型空間結構的在軌制造與裝配

NASA發布的《在軌衛星服務研究項目報告》表明，在太空中建成大型天文臺和深空探測補給站是美國在軌服務的遠期目標之一。“大型結構系統太空裝配”、“蜘蛛制造”和“建筑師”等項目均在積極發展大型空間結構的在軌建造與裝配。在軌裝配大型空間結構，將使航天器結構大小不再受限于運載器的整流罩大小，推動大型、高性能航天器的發展。

在軌制造技術將推動在軌制造、組裝與部署一體化

傳統的在軌裝配技術需要將在地面制造好的結構、艙段、航天器通過運載器發射到軌道再進行裝配，近年來真空增材制造技術的發展將變革航天器的在軌制造能力，有助于實現在軌制造、組裝與部署一體化，大幅降低研制發射成本和周期。NASA“臨界點”計劃下的3個“航天器與空間結構的機器人太空制造與裝配”相關項目，以及“蜘蛛制造”和“存儲與部署”立方體衛星項目均反映了在軌制造（尤其是增材制造）、組裝與部署一體化的發展趨勢。NASA的美國太空制造公司與納諾萊克斯公司的“存儲與部署”計劃有望以立方體衛星作開端，為航天器的在軌制造、組裝與部署一體化開啟新篇章。