在軌組裝技術研究現狀與發展趨勢

沈曉鳳，曾令斌，靳永強，張慶展

（1.上海宇航系統工程研究所，上海201109；2.中國航天科技集團公司八院空間安全與維護總體技術研究中心，上海201109）

在軌組裝技術研究現狀與發展趨勢

沈曉鳳1，2，曾令斌1，靳永強1，2，張慶展1，2

（1.上海宇航系統工程研究所，上海201109；2.中國航天科技集團公司八院空間安全與維護總體技術研究中心，上海201109）

介紹了國內外在軌組裝技術的研究現狀，指出以模塊化可重構航天器、大尺寸天線和光學載荷為典型目標的在軌組裝技術已得到了廣泛研究，提出模塊及接口的通用化、提高組裝效率和降低組裝成本是在軌組裝技術工程化應用的重點。歸納了在軌組裝的關鍵技術，包括結構模塊化及單元設計、在軌組裝平臺設計、在軌組裝機器人以及在軌組裝綜合管理等。針對我國的技術現狀，提出了我國開展在軌組裝技術研究所需解決的問題和未來發展建議：應重點突破模塊單元及連接組件的通用化、組裝操作的高精度與高效率等瓶頸問題。

在軌組裝；研究現狀；發展趨勢；模塊化

1 引言

受火箭推力、整流罩包絡及機構復雜度的影響，當前的可展式結構難以滿足未來深空探測、天文觀測、戰略偵察等工程所需的大面積、大跨度空間結構的構建要求［1?3］。在軌組裝是將單次／多次入軌的結構模塊、功能模塊等基本單元依序組裝成期望的大型空間系統，包括航天器、空間系統或空間結構的在軌連接、替換、構建、組合或重組，從模塊更換、電池陣、天線等的安裝與展開到功能模塊航天器的在軌組裝與重構，再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［4?6］，具有結構效率高、擴展性強、可逐步升級等特性。

20世紀70年代末，隨著美國“天空實驗室”項目的提出［6］，國際上開始了對在軌組裝相關領域的研究，直到90年代，在軌組裝應用被限制在航天員艙外活動和空間機械臂組裝上，難以適用于大范圍、高精度、高危險性的在軌組裝任務［5］。遙控或自主模式的自由飛行空間機器人的出現，使在軌組裝可應用于更復雜、大型的空間結構［7?9］。通過多自主空間機器人執行空間在軌組裝任務將是未來構建大型空間結構的主要方法［6］，隨著空間機器人技術的不斷發展，在軌組裝技術將發揮出更大的潛力。

2 國外在軌組裝技術研究現狀與趨勢

在軌組裝系統由組裝對象、組裝工具組成，必要時還需組裝平臺參與完成任務。除在軌制造任務外，在軌組裝服務對象規模可劃分為三個層次［5］：1）兩個或多個獨立的航天器組裝成規模更大的空間結構；2）艙段或模塊間的對接組裝，使之成為一個獨立的航天器或對其進行功能擴展與重構；3）模塊、零部件組裝成新的模塊載荷。結合在軌組裝技術的典型應用，本文將在軌組裝對象定位為空間基礎設施平臺、功能模塊化可重構航天器和空間大型載荷三方面。

2.1大型空間基礎設施平臺

國際空間站是當前階段在軌組裝空間基礎設施平臺的典型應用。至2012年底，歷經40多次飛行，國際空間站的建造已基本完成，自主交會對接技術、載荷更換技術得到了充分驗證［1］。

空間太陽能電站作為未來大型空間基礎設施平臺的典型應用，主要由太陽能發電裝置、能量轉換和發射裝置、地面接收和轉換裝置三大部分組成，概念已提出超過40年，據美日多輪研究結論，在同步軌道布置空間電站發電量需達到GW級才能滿足商業運營需要［10?11］，整個空間電站質量將達萬噸，太陽電陣面積上千平方米，由于關鍵技術還未充分解決，目前該系統仍屬于概念方案設計階段［10］，但大尺寸太陽翼和天線在軌組裝技術已基于空間電站項目得到了廣泛研究［12］。

2.2模塊化可重構航天器

2007年軌道快車上電源模塊和計算機模塊的成功在軌更換［13］，預示著功能模塊設計的在軌成功應用，航天器上逐步開始引入可接受服務設計。2010年德宇航中心（DLR）提出面向衛星在軌服務的智能積木iBOSS項目，對航天器的結構模塊化設計展開研究，在構型上提出了適用于以電子載荷為主的小型衛星的“搭積木”模式和適用于多載荷、高精度的大衛星的“蜂巢”模式［14］，如圖1所示。

2011年美國鳳凰計劃首次提出細胞化衛星技術，細胞衛星利用細胞形態學理論進行模塊衛星的設計，每一個“細胞”為縮小的傳統衛星的子系統或組件，如電源、姿態控制、熱控、推進等。多個“細胞”衛星組合裝配一起構成一顆新的模塊衛星，利用這種可替換的星體系架構，可實現模塊化衛星的大批量生產、低成本和標準化［15］，如圖2所示。

2015年12月9日，美國NovaWurks公司研發的“細胞星初始任務驗證及經驗”（SIMPL）試驗組件已到達國際空間站，包括6個HISat和兩個太陽能電池陣列，擬在國際空間站上進行整星裝配后獨立在軌部署，將在2017年中進行在軌技術驗證［16］。

2.3空間大型載荷

1）大尺寸天線

1997年ETS?Ⅶ在軌成功利用機械臂完成直徑2 m天線的組裝，天線形面精度達到0.1 mm，這也是國際上第一次在軌組裝天線［17］。2006年ETS?Ⅷ天線在軌成功展開，該天線是國際上第一個模塊化設計的可展開天線，由14個六邊形模塊（板殼＋桁架結構）組成，有效直徑13 m，形面精度2.4 mm，驗證了天線模塊化設計的可行性［18?19］。上世紀70年代，美國提出多種航天飛機輔助參與的30～100 m量級天線的在軌組裝方案［20］，隨著大型天線的需求日益明顯，NASA提出采用將天線反射器表面分成標準面板分批發射，在星上用空間機器人進行裝配的組裝型天線技術，針對不同的天線結構，提出多種模塊化設計方案［21?24］，如圖3所示。2015年8月，美國勞拉公司從DAPRA獲得一份“蜻蜓”合同，在GEO軌道利用自身攜帶機器人實現衛星大型射頻天線反射器的安裝與重構，該項目列入NASA與工業界合作的臨界點計劃，以DARPA資助的“蜻蜓”項目為基礎，將開發地面演示驗證的方案［25］。

2）大尺寸光學載荷

哈勃望遠鏡自1990年上天后，美國先后提出了多種新型太空望遠鏡來替代哈勃退役后的角色，James Webb望遠鏡作為新一代的太空望遠鏡，采用在軌展開的方式，主鏡孔徑可達6.5 m，預計2018年應用［26］。此外，美國還提出多種在軌組裝式的太空望遠鏡的概念方案，主鏡直徑最大可達30 m，組裝地點涵蓋空間站平臺、地月L2點以及日地 L2點，詳見圖 4［3，27?31］。DARPA在 2015?2016年財務預算中持續支持光學孔徑空間自組裝項目（OASIS），該項目旨在驗證利用較小的模塊化組件在軌組裝成大孔徑光學設備的可行性［32?33］。該項目將模塊化部件作為單獨載荷發射后，在軌組裝成合成孔徑大于5米的光學設備，要求模塊化部件和系統設計必須具備自我測量和調整能力。

3）大尺寸桁架

20世紀70年代，美國蘭利中心開始研究宇航員對桁架的在軌組裝，并進行了大量的地面微重力試驗［4，34?35］。1985年 EASE （Experimental Assembly of Structures in EVA）任務中美國航天飛機成功完成對空間桁架EASE／ACCESS的組裝操作［3］。在任務順利結束之后，NASA提出了BAT（The Beam Assembly Tele?operator）項目，其核心是開發遙操作自由飛行機器人Ranger來替代航天員進行組裝，但因為種種原因，機器人Ranger未上天進行驗證［35］。

2.4組裝機器人技術

隨著對組裝對象研究地深入，美國等航天大國提出了多種組裝機器人。滿足在軌組裝需求的機器人有三種類型，一是固支在艙內進行艙內設備的組裝；二是附著在機動平臺上的機器人；三是空間自主漂浮機器人。根據在軌組裝任務的多樣性和復雜性，大多工況需要多個機械臂進行協同操作，多機械臂協同操作方式也有兩種，一是通過機器人上配置多個機械手和視覺系統方案；二是多個獨立的機械臂形成組裝機器人系統，一般可由組裝機器人、運輸機器人以及傳送系統組成。比較典型的在軌組裝機器人有空間結構附屬移動機械臂Skyworker，仿人機器人Robonaut2，可重構機器人以及以 SpiderFab為代表的仿生機器人［35?40］，如圖5所示。

“建筑師”項目作為NASA在2015年11月為“臨界點”選取的3個在軌機器人制造與組裝航天器和結構相關項目之一，官方名稱為“多功能太空機器人精密制造與裝配系統”，由太空制造公司負責［25］。該項目擬研發具有3D打印功能的機械臂，并將其安裝在國際空間站外，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，如圖6所示［41］。

2.5技術研究趨勢與小結

經過多年的概念論證和技術評估，各航天大國逐漸意識到發展在軌組裝技術的必要性，在軌組裝已逐步成為新一代航天器建造的使能技術。組裝對象也由部件級逐步轉向跨尺度、高精度、結構功能一體化的空間設施，模塊及接口從傳統的“定制型”、“適用型”向通用化、系列化轉變，無人／自主的多臂協同操作將逐步取代人機協同操作，遙操作型組裝機器人已不再能滿足任務場景的需求，對其提出自認知、自學習、精細操作及大范圍移動能力的要求。

1）航天員直接參與的大型結構在軌組裝路徑不可行

美國在上世紀八十年代利用航天飛機開展了多次航天員組裝桁架的飛行驗證，結果表明：受航天員生理、心理因素制約而難以進行由成百上千個模塊拼接而成的大型結構的組裝［6］。之后NASA持續資助機器人在軌組裝技術的研究與試驗。

2）在軌組裝領域具有巨大的商業航天應用潛力

2015年11月，NASA基于臨界點計劃選擇3家企業開展航天器與空間設施的機器人太空制造與組裝研發方向技術合同合作［25］，預計將相關成熟度提升至臨界點以上，在利于實現NASA戰略目標的同時，刺激在軌組裝商業航天市場需求。

3）大尺寸天線、光學載荷和可組裝航天器是近年在軌組裝領域研究的熱點

美國的細胞化衛星技術與德國的面向衛星在軌服務的智能積木項目帶動了可組裝可重構航天器技術的發展，并于2017年將進行相關關鍵技術的在軌驗證［14?16］；2015年起，美國 DARPA 和NASA同步將目光投向天線和光學載荷這類空間大型載荷在軌組裝技術研究，并簽訂了多份研制合同［25，32?33］。

4）大型結構在軌組裝尚未實現工程化

一方面由于不同尺寸模塊單元及連接組件難以通用化和輕量化，要地面加工、制作成百上千形狀相似但尺寸不同的非標零部件；另一方面在軌組裝需要集移動?定位功能于一體的高精度、高剛度精細操作機器人，當前在軌及地面的各種機器人難以滿足需求，導致當前在軌組裝的效率低、可靠性差、成本高，尚未具備工程化條件［26］。

5）在軌組裝技術實用化的技術途徑不明朗

美國在太空望遠鏡（NNGST）、三十米太空望遠鏡（TMST）等在軌組裝研究中沒有披露的可行性研究方案及路徑［3，27?30］；“臨界點”計劃中的相關方案和技術途徑無法知悉，如“蜻蜓”合同中被組裝天線的口徑、模塊數量及具體組裝方式等信息外界難以獲悉。

3 國內在軌組裝技術研究現狀與趨勢

3.1國內在軌組裝技術研究現狀

國內在軌組裝技術研究起步較晚，隨著“十二五”期間在軌服務理念的推廣，在軌組裝技術也日益受到重視，基于模塊更換的空間機械臂技術得到發展。哈爾濱工業大學劉宏團隊開展了多臂協同抓捕、空間遙操作、末端效應器以及靈巧手等研究［42?44］，崔乃剛、郭繼峰團隊利用連接矩陣與分層規劃的思想，實現了空間桁架結構的組裝序列［45?46］，相關研究成果可直接支撐在軌組裝技術。在空間大型載荷研究方面，哈爾濱工業大學劉兆晶、田大可、劉榮強等開展模塊化可展開拋物面天線支撐機構設計，提出等肋長法和空間圓包絡法［47?48］，浙江大學的關富玲對空間模塊化的可伸展結構開展設計研究［49］，西安電子科技大學、中國空間技術研究院西安分院的李團結、馬小飛等提出基于空間站的拼接式天線的空間裝配方案［50］；在航天器模塊化設計研究方面，西北工業大學黃攀峰等對鳳凰計劃和iBOSS項目進行深入剖析，提出面向在軌服務的可重構細胞衛星關鍵技術［51］，劉更團隊等對各階段航天器結構模塊化設計方法進行研究［52?53］，國防科技大學提出模塊化小衛星自動測控系統構建方案［54］；在大型空間基礎設施方面，北京航空航天大學與中國運載火箭技術研究院利用重型運載火箭對LEO和GEO空間太陽能電站的在軌組裝發射模式進行論證［55］。另外，北京衛星環境工程研究所的王奇、陳金明對大型空間結構的設計及在軌組裝的地面模擬實驗進行了相關研究，為我國即將展開的空間在軌組裝技術提供了一定的理論基礎。綜上，我國在軌組裝技術研究現狀主要如下：

1）以空間站為主體的艙段對接和模塊更換技術得到深入研究

依托我國空間站建設，國內多家單位對空間在軌組裝與維護技術開展了相關研究，主要集中于空間交會對接試驗、在軌模塊組件更換、在軌釋放與發射、可重構空間服務平臺等技術，取得了一定的成果，并在工程實踐中有所突破，為我國即將組建的空間站天空一號打下堅實的技術基礎。

2）關鍵技術跟蹤性研究居多，系統性研究較少

哈爾濱工業大學在在軌裝配任務規劃方面作了深入研究［4，45?46］；浙江大學［49］、西安電子科技大學［50］、西北工業大學［51?53］、國防科技大學［54］等在模塊單元劃分及設計實現方面工作較多；隨著空間電站論證的逐步深入，科研院所正逐步開展超大型結構在軌組裝系統性研究［55］。當前國內在軌組裝技術領域現有研究成果成熟度較低，離工程化實施距離大。

3）在軌組裝相關的原創性方法及思路少見

文獻可查的國內在軌組裝技術研究大都是在國外研究的基礎上進行跟蹤與深化，暫未提出解決當前在軌組裝工程化面臨瓶頸問題的方法及思路。

3.2國內在軌組裝系統發展趨勢與啟示

在軌組裝將成為構建新一代更高尺寸及精度空間結構的使能技術。在軌組裝技術的成熟直接影響對地成像、偵查預警及天文觀測等領域的進一步發展，大力發展在軌組裝技術是未來航天領域發展的潛在共識。

從上世紀70年代開始，在軌組裝技術歷經40多年的發展，因模塊及接口難以通用化、組裝效率低、成本高等問題仍未實現工程化［26］。當前大型結構在軌組裝的需求日益迫切，國內工程總體單位正牽引高校及專業研究所開展系統性、集群式在軌組裝技術研究，國內在軌組裝技術想要實現“彎道超車”，需重點突破模塊單元及連接組件的通用化、組裝操作的高精度?高效率、高精度測量以及組裝動力學與控制等在軌組裝技術工程實用化的瓶頸問題。

4 在軌組裝關鍵技術及發展趨勢

在軌組裝技術作為未來航天器構建的基礎共性技術，應提前進行技術儲備和攻關。不論從國內還是國外來看，在軌組裝技術要走向實用還有很長的路。在軌組裝急需解決的技術主要有以下四個方面：結構模塊化及單元設計技術、在軌組裝平臺設計技術、在軌組裝機器人技術以及在軌組裝綜合管理技術，如圖7所示。

4.1結構模塊化及單元設計技術

在軌組裝的前提是將結構整體“化整為零”為優化的、通用的單元。模塊及接口的通用化、組裝效率、成本效益等問題是實現在軌組裝技術工程化應用轉化的關鍵，針對上述對象開展結構模塊化及單元設計可分解為四項研究內容：

1）模塊化空間設施系統設計技術。將航天器整體分解、優化為若干相對獨立的功能單元，解決功能單元之間的耦合、簡化問題。

2）空間結構網格劃分與優化技術。將以拋物面等為典型代表的大型空間結構劃分并優化為盡可能通用的若干網格單元，從網格的形狀、尺寸以及分布入手，解決模塊單元的通用化問題。雖然目前已提出一些模塊劃分方法，但對于不同尺寸結構模塊不具有通用性［56］。

3）模塊單元構型設計與優化技術。將通用化的網格單元具體設計為系列化、標準化的模塊單元，解決模塊單元的構型優化與標準化問題。

4）具備快速導通能力的接口技術。將功能模塊、結構模塊之間的連接接口設計為通用、即插即用形式，解決模塊單元之間可靠連接和快速導通問題，大容差與易操作是接口設計的難點，除傳統的機械連接接口外，電子束焊和復合材料的連接方式是現在研究的熱點［26，39，57］。

4.2在軌組裝平臺設計技術

組裝平臺的構型布局將影響其任務能力，大型設施在組裝過程中存在精度校核、耦合振動等問題，傳統的平臺設計理論已不再適用，上述問題對未來在軌組裝平臺提出了實時測量和控制等要求。

1）在軌組裝平臺總體布局與設計技術。在軌組裝平臺功能配置、總體布局與優化，解決復雜約束條件下在軌組裝平臺功能、性能全局優化問題。

2）在軌組裝全局／局部測量技術。復雜空間環境中在軌組裝、運行過程系統全局和局域的高精度、高頻率測量，解決測量的高精度和實時性問題。

3）在軌組裝過程動力學與控制技術。組裝過程模塊傳遞、連接、整器姿態轉換等引起的動力學問題的識別與控制，解決組裝平臺動力學穩定問題。

4）空間環境影響機制及控制研究。在軌組裝材料、運動副等在微重力、強輻射、原子氧和大溫差環境中性能退化及控制機理研究，解決組裝結構長壽命與可靠性等問題。

4.3在軌組裝機器人技術

近幾年來，空間機器人在在軌服務技術的帶動下發展迅速，隨著在軌組裝技術的興起，空間機器人將逐步向具備自認知、自學習、精細操作及大范圍移動能力方向發展，其研究可分解為四項研究內容：

1）機器人系統設計。解決機器人在不同組裝任務、環境要求下的機構構型綜合、實時控制系統的設計與實現等問題。

2）系列化末端操作工具技術。組裝機器人模塊多種執行末端／工具的設計和優化，解決機器人與組裝多種模塊單元之間的高效連接與斷開功能。

3）多模式目標識別與定位。解決組裝過程中合作目標及非合作目標的精確測量及識別問題，實現機器人多傳感器數據的融合使用及自主感知。

4）機器人協同操作與控制技術。解決機器人多臂協同操作時運動和力協調的問題，解決多個機器人協同作業時任務、運動、力協調問題。

4.4在軌組裝綜合管理技術

在軌組裝綜合管理技術主要用于前期規劃和任務仿真、精度保持、以及后期性能評估和健康管理，其研究可分解為四項研究內容：

1）組裝序列與路徑規劃技術。基于空間拓撲結構的模塊組裝序列規劃及運行軌跡優化，解決以總體精度和效率等為目標的序列路徑規劃問題。

2）在軌組裝任務仿真與優化技術。針對典型任務組裝的系統仿真與優化，發現并解決組裝任務設計中的矛盾沖突、流程優化問題。

3）組裝誤差補償與控制技術。基于全局測量的組裝誤差累積傳遞規律及補償控制算法研究，解決多模塊、大跨度組裝中的精度保持問題。

4）組裝對象性能評估與健康管理。以精度、剛度、效率和成本等為目標構建組裝性能評估和健康管理體系，解決組裝對象綜合評估與健康管理問題。

實現在軌組裝技術工程化，需逐步突破結構模塊化及單元設計、組裝平臺設計、組裝機器人設計和組裝綜合管理等方面的關鍵技術，其中模塊單元及連接組件的通用化、組裝機器人設計與協同操控、組裝過程動力學與控制等技術是在軌組裝專有核心技術，直接關系到在軌組裝系統的成本、效率和可靠性，需要優先突破。

5 結論

在軌組裝技術是未來大型空間結構建造的使能技術，目前，國際上已開展多個針對大型天線、光學載荷以及模塊化航天器的在軌組裝技術研究，但大多數停留在局部關鍵技術攻關和概念設計上。未來在軌組裝技術實用化，還必須解決模塊單元及連接組件的通用化、組裝操作的高精度?高效率、高精度測量以及組裝動力學與控制等關鍵技術，開展地面和在軌組裝演示驗證。

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（責任編輯：龍晉偉）

Status and Prospect of On?orbit Assembly Technology

SHEN Xiaofeng1，2，ZENG Lingbin1，JIN Yongqiang1，2，ZHANG Qingzhan1，2

（1.Aerospace System Engineering Shanghai，Shanghai 201109，China；2.Space Security and Maintenance Center of Shanghai Academy of Spaceflight Technology，Shanghai 201108，China）

The development of on?orbit assembly technology in China and abroad were introduced in this paper and it was found that the on?orbit assembly technology targeting the modular reconfigu?rable spacecraft，large antennas and large observatories were widely studied.It was pointed out that the generalization of modules and interfaces，the improvement of assembly efficiency and the reduc?tion of assembly cost were the key points of the engineering application.The key techniques of the on?orbit assembly including the design of modular structure and unit，the design of on?orbit assembly platform，the on?orbit assembly robot and the integrated on?orbit assembly management were summa?rized.Finally，problems to be solved in the future for the on?orbit assembly technology were ana?lyzed and the research proposals were made based on the technical status of China such as focus on the generalization of modular unit and the connection components，focus on the high precision and efficiency of the assembly operation etc.

on?orbit assembly；research status；developing prospect；modular

V476.5

：A

：1674?5825（2017）02?0228?08

2016?04?05；

2017?02?27

國家自然科學基金青年科學基金項目（51505295）

沈曉鳳，女，碩士，工程師，研究方向為航天器在軌服務總體技術。E?mail：xfshen1986＠126.com