空間在軌裝配技術綜述

王明明，羅建軍，袁建平，王嘉文，劉聰

1. 西北工業大學 深圳研究院，深圳 518057 2. 西北工業大學 航天動力學國家重點實驗室，西安 710072

對太空的爭奪已經成為世界各國科技戰略競爭新的制高點。2019年2月19日，美國總統特朗普簽署《空間戰略4號總統令》(Space Policy Directive 4)，正式宣布組建美國第6軍種——太空軍，明確要求優先發展彈性、重建和作戰能力以確保空間控制權。空間飛行器在軌服務和維護技術與系統已列入中國的重大發展計劃。為提早占領空間技術與應用高地，各國競相發展在軌維修/更換、在軌加注及在軌裝配等相關空間技術[1]。針對在軌維修/更換任務，利用空間靈巧機械臂操控技術，典型的空間任務有日本的“ETS-VII(Engineering Test Satellite-VII)”、美國的“軌道快車(Orbital Express)”與“鳳凰”(Phoenix)、德國的ROTEX(RObot Technology EXperiment)與DEOS(Deutsche Orbital Servicing mission)項目等[2]。在軌加注方面，2015年美國國家航空航天局(NASA)使用加拿大航天局的Dextre機器人于國際空間站開展了機器人燃料加注的在軌演示驗證[3]。2019年諾思羅普·格魯曼公司成功發射了MEV-1(Mission Extension Vehicle-1)在軌服務衛星[4]，并于2020年2月與國際通信衛星組織的通信衛星Intelsat-901成功對接，使這顆在軌近19年的通信衛星壽命再延長5年。2016年國防科技大學自主研制的“天源一號”衛星在軌加注實驗載荷[5]，成功完成微重力條件下流體管理與加注、高精度推進劑測量等多項在軌實驗，為中國首個衛星在軌加注飛行試驗系統。2017年，中國首艘貨運飛船天舟一號成功發射進入太空[6]，和天宮二號實現了交會對接并完成了推進劑在軌補加試驗，為中國后續大型空間站建設奠定了基礎。以上飛行試驗任務有效驗證了在軌服務與維護的關鍵技術，極大地拓展了未來航天任務的范圍。

在軌裝配方面，其相關技術是開展在軌維護的重要支撐。基于在軌裝配技術實現在軌維護的典型任務有日本的ETS-VII、美國的“軌道快車”“試驗衛星系統”“鳳凰”計劃和哈勃望遠鏡在軌維護等。最具代表性的哈勃望遠鏡，其在設計初期即充分考慮了常規在軌維護與設備升級的情形。從1993—2009年的十余年間，哈勃望遠鏡接受了包括維修、更換故障部件、設備升級及安裝新測量元件共計5次的服務任務。2016年中國利用柔性機械臂與仿人靈巧手，在天宮二號空間站開展了人機協同在軌操控試驗[7]，主要面向航天裝備在軌裝配和拆卸任務，為空間機器人在軌服務積累了前期經驗。

此外，代表國家科技實力的空間站、空間望遠鏡[8]、大型通信天線[9]、空間太陽能電站[10]、在軌燃料補給站[11]、深空探測中轉站[12]及地外基地[13]等空間大型平臺和基礎設施的建設需求日益迫切，近期各國航天機構積極開展月球/火星等的探測，對月面站/火星站等提出了建設大型基地的迫切需求。未來需求的典型空間大型平臺和基礎設施如圖1[8-13]所示。

圖1 典型空間大型平臺和基礎設施[8-13]Fig.1 Traditional large space platforms and infrastructures[8-13]

然而，受到火箭運載能力、整流罩包絡及結構復雜度的約束，空間大型平臺難以一次建造發射升空，因此，需要在軌裝配技術的支持。空間在軌裝配是指在太空中將不同的部件連接起來，構建成為一個由結構、子系統或子系統的單元體等組成的空間設施，或者把一個或多個結構分立后進行重新組合[14]。在軌裝配的具體任務包括航天器、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。在軌裝配擴大了航天設計任務的空間，增加了人類太空活動的多樣性，拓展了人類探索空間的邊界[15]。

工業流水線上的機器人生產、裝配活動需要現場工程師、精確校準及嚴格受控的工作環境，而在軌裝配任務工作條件惡劣，基本不具備上述條件。作為一項空間使能技術，在軌裝配對于未來科學與技術的拓展應用至關重要。此外，國家安全已由陸地安全、海洋安全延伸到空間領域和信息領域。在軌裝配技術的進步將有效改變現有的空間建造、操控、維護等的任務范式，大大拓展空間探索的邊界；對于國家的空間戰略設施維護、空間安全保障也具有重要的現實意義。

自20世紀60年代起，空間在軌裝配技術就登上了航天的舞臺，距今已有60余年的發展歷程。近年來，國外航天研究機構，尤其是美國進行了多次與航天器在軌服務相關的技術試驗，并在此基礎上制定和規劃了多個針對空間大型設施在軌裝配的演示驗證項目[16]，中國也初步開展了與在軌服務相關的技術試驗與預先研究。NASA Goddard空間飛行中心的綜述調研報告[11]分析了在軌服務的重要性、現狀和發展方向。從相關項目、計劃和調研報告中不難看出國外對此類研究的重視程度，并得出未來空間在軌裝配與建造的發展方向：從有人裝配向無人裝配發展、從非自主向自主方向發展、從小型結構向大型結構裝配方向發展、從零件拼裝式向在軌生產與建造方向發展。隨著增材制造、空間機器人及人工智能等技術的不斷發展，在軌裝配技術將發揮出更大的潛力，并拓展其應用于更多的領域。

1 國外在軌裝配研究現狀

1.1 有人在軌裝配

在軌裝配的需求首先源自宇航員在空間中生活、居住與工作需求。在人類探索太空的早期，由于自主化與智能化技術的限制，在軌裝配需要宇航員通過危險的出艙活動來執行。美國的首艘空間站Skylab可被認為是人類在復雜太空環境中第1次在軌裝配/建造嘗試，其在軌期間，宇航員出艙完成了熱防護罩的更換與太陽能帆板的輔助展開[11]。

蘇聯的MIR空間站是人類歷史上第1個在軌裝配的模塊化空間站[17]。空間站的每個模塊單獨發射升空，并連接到核心艙的對接口。其他的外部結構包括桁架結構、實驗艙等由宇航員輔助裝配完成。哈勃望遠鏡是人類歷史上執行在軌裝配任務的典型案例，1990年其由“發現者”號航天飛機發射升空后，先后出現鏡片故障、電池/陀螺儀壽命到期及技術升級等問題。得益于起初的可維修性設計，1993年，通過宇航員艙外活動與航天飛機上的加拿大臂共同配合，由加拿大臂運送宇航員接近哈勃望遠鏡的維修位置，對哈勃望遠鏡進行了首次維修——更換了廣角和行星照相儀；1997—2009年間，又有4次有人維修飛行任務，先后更換和修復了紅外照相機、多目標分光儀、絕緣層、陀螺儀、測繪照相機、太陽能電池板和電力控制裝置等設備。5次在軌任務均取得完全成功，從而延長了在軌天文臺在太空惡劣環境中的壽命，充分驗證了在軌裝配的可行性與有效性。

國際空間站是目前為止最復雜的國際合作在軌裝配項目[18]，涉及13個主要艙段，總體積425 m3，包括加壓艙、桁架結構、太陽能電池陣、對接口、實驗艙及空間機械臂等。國際空間站的補給主要通過航天飛機(美國)、進步飛船(俄羅斯)及自主轉移飛行器(歐洲)共同完成。其建造通過空間站上的機械臂Canadarm 2和宇航員的艙外活動完成。1985年，美國在STS-61-B航天任務中執行了EASE/ACCESS的裝配驗證項目[19]。該項目在航天飛機的貨艙中，通過空間手動裝配13.7 m長的大型桁架結構測試宇航員在軌裝配的有效程度并積累在軌建造的經驗。

除了宇航員在軌執行裝配任務外，自1970年至2000年，NASA蘭利研究中心(LaRC)開展了地面1g和模擬微重力(中性浮力水池)環境下的大型空間結構有人裝配研究。代表性的實驗有手動裝配正四面體單元[20]、四面體桁架梁移動裝配[21]、空間站自由桁架移動裝配[22]、精密分段反射桁架和面板裝配[23]等。

從有人在軌裝配的項目中得到的經驗是：固定宇航員的足部解放了宇航員的雙手，相較于自由漂浮使得宇航員的艙外活動更為容易。需要輔助的移動裝置使宇航員移動至工作位置從而降低工作壓力和疲勞程度。工業生產中的裝配流水線流程可用于在軌裝配任務中，此外，需要設計裝配連接器便于宇航員單手操作等。

1.2 無人在軌裝配

航天員手動裝配有一定的局限性，只能勝任任務量小、時間短、環境較為簡單的裝配任務。對于未來結構復雜、體積巨大、安裝環境惡劣、精度要求高的空間裝配任務，航天員手動裝配無法滿足任務要求。無人在軌裝配具備經濟性高、風險低等優點，因此得到了廣泛關注。自20世紀70年代以來，美國NASA蘭利研究中心、歐洲航天局(ESA)和日本宇宙航空研究開發機構(JAXA)等諸多科研機構紛紛開展空間結構自主構建的技術研究(如圖2[24-32]所示)。

圖2 無人在軌裝配示例[24-32]Fig.2 Unmanned in-orbit assembly missions[24-32]

利用機械臂進行模塊更換已經較為成熟。1997年日本的工程實驗衛星ETS-VII發射升空，通過可更換模塊模擬多種模塊的在軌更換，驗證了桁架組裝及試驗天線裝配等技術。美國國防高級研究計劃局(DARPA)資助的“軌道快車”計劃完成了服務星與目標星的自主交會對接、更換電源模塊和更換姿控計算機模塊等的演示任務；“試驗衛星系統”(XSS)計劃中的XSS-12，采用一顆小衛星為母星提供非對接繞飛服務，另一顆小衛星與母星對接，實質上為母星與可更換模塊間的對接試驗。

20世紀90年代早期，NASA蘭利研究中心的科研人員開始著手開發一套遙控機器人空間桁架結構裝配系統，用來裝配一個由12塊面板和102根支柱組成的、直徑8 m的桁架結構[33]。隨后，很多研究機構和人員致力于全自主空間機器人系統的相關研究。1985年直立空間結構裝配進行成功的飛行試驗之后，ORNL(Oak Ridge National Laboratory)論證了采用相似硬件和空間遙控機器人進行裝配構建的可行性[34]。馬里蘭大學開發了用于大型空間結構在軌裝配、檢查和維護任務的自主機器人系統[35]。卡內基梅隆大學設計的Skyworker空間結構附屬移動機械臂，可以在幾公里范圍里運輸和操縱從公斤級到噸級的有效載荷[24]。NASA噴氣推進實驗室設計了一種小型、靈活的六足行走機器人LEMUR，用來在空間結構上狹小區域里執行復雜的、精細的裝配、檢查和維護任務[25]。NASA約翰遜航天中心正在開發可應用于國際空間站的人形空間機器人Robonaut2，可以直接使用為宇航員設計的裝配工具進行空間作業[26]。

2012年，DARPA啟動了Phoenix計劃，該計劃設想發射模塊化的“細胞星”進入地球靜止軌道，利用空間機器人對航天器進行部件修理、置換和升級[27]。此外，DARPA啟動了地球同步軌道衛星機器人服務(RSGS)[28]，將建造太空機器人維護同步軌道衛星，用于自主更換與修復受損硬件，并可拓展其應用于在軌裝配。美國系繩無限公司(TUI)提出了一種在軌制造系統“SpiderFab”，將增材制造和機器人裝配技術結合，通過類似蜘蛛結網的方式構建大型空間桁架結構[29]，該項目受到了NASA創新先進概念基金的資助。2015年7月，NASA啟動了“大型結構系統太空裝配”(SALSSA)項目[36]，以期實現大型模塊化結構系統在太空的自動裝配、服務、翻新、重構及再利用，主要面向大型空間天文臺、太陽能電池陣列及火星任務組部件。同期，在美國DARPA支持下，勞拉空間系統公司(SSL)啟動了裝配地球靜止軌道通信衛星的“蜻蜓”(Dragonfly)項目[30]，重點研究在軌裝配與重構衛星的大型射頻反射器。2015年11月，NASA在Tipping Point計劃中[31]對“航天器與空間結構的機器人太空制造與裝配”(Arichnaut，即“建筑師”)主題進行了規劃，并與勞拉空間系統公司進一步合作，積極開展Dragonfly項目的地面演示和飛行演示驗證。2020年2月，NASA將Dragonfly項目與在軌加注的Restore-L項目合并，命名為OSAM-1(On-orbit Servicing, Assembly & Manufacturing mission-1)，計劃于2023年發射。2016年，ESA開展了立方星在軌自主裝配成大型航天器的技術研發[37]。

除上述各航天機構提出的無人在軌裝配驗證方案，近年來，尚有一些其他的概念性方案提出，例如超集成衛星[38]、中國空間站[39]、Shady 3D[40]以及機器人可重構桁架[41]等。

在軌裝配過程中，移動各裝配單元到達指定位置并進行裝配操控有4種不同的方法：

1) 自主飛行模塊

每一個裝配單元都具有機動能力，每一次裝配即為一個裝配單元與裝配體之間的交會對接。其優勢在于具有高度的靈活性，但是大量的交會對接提高了任務的風險與復雜性，并且每個裝配單元具有推進及對接模塊，增加了任務的成本。MIR空間站[17]、國際空間站[42]、天宮空間站[39]和巨型軌道天文望遠鏡(GOAT)任務[43]等都屬于此類。

2) 自裝配空間機器人

機械臂作為操作主體剛性地連接到一個衛星基座上。裝配時以衛星基座為中心，機械臂將裝配單元裝配在指定位置。其優勢在于機械臂和裝配體之間是剛性連接，可靠性較好。但是其可裝配的裝配體體積受到機械臂工作空間的限制，增大機械臂的體積則會增加火箭運載負擔。其典型案例包括機器人裝配與服務基礎設施(CIRAS)[32]、加拿大臂[44]和日本H-II貨運飛船(HTV)[45]等。

3) 自由飛行裝配機器人

自由飛行裝配機器人的組成依然為衛星基座與剛性連接在其上的機械臂，但是與自裝配機器人的區別在于不需要以自身為中心進行裝配。此方法可以更加方便地組裝大型結構，并且可以實現多機器人協同作業。但是裝配結構的復雜會導致機器人自由飛行困難增加，并且對導航、制導與控制(GNC)及近距離操作技術提出了很高的要求。前文所述ETS-VII、軌道快車、Phoenix、RSGS、Arichnaut和Dragonfly等項目以及麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology，MIT)[46]、加州理工學院[47]、南京航空航天大學[48]等都對其進行了研究。

4) 附著型裝配機器人

附著型裝配機器人可以附著在裝配體上進行移動與裝配操作，通過標準化的接口與裝配體連接。由于整個裝配過程機器人均剛性連接在裝配體上，具有可靠性高、運動性強、操作簡單的優點，是目前最具有潛力的在軌裝配解決方案。Skyworker、LEMUR、SpiderFab和SIROM(Standard Interface for Robotic manipulation of payloads in future space Missions)[49]等項目，以及用于裝配的蠕蟲機器人[50]和BILL-E機器人[51]都采取此種方法。基于模塊化和標準化的iBOSS[52]項目也為此技術的未來發展奠定了良好的基礎。

1.3 在軌裝配層次

在軌裝配技術是低成本快速部署航天器的重要途徑，對于推動大型高性能航天器的發展具有重要意義。根據在軌裝配任務對象的規模和裝配任務的復雜度，可以大致劃分為5個任務層級(如表1[18,27-32,43,53-59]所示)，從高到低包括航天器組合、功能擴展、整星組裝、模塊組裝和在軌制造[14]。根據目前的理論技術發展情況，除了航天器組合層級的自主裝配技術較為成熟，其他任務層級的相關技術均處于演示驗證或規劃研發階段。其中，模塊組裝層級的技術是目前美國及歐洲多個計劃項目的重點研究對象。

表1 在軌裝配層次[18,27-32,43,53-59]Table 1 Hierarchy of in-space assembly[18,27-32,43,53-59]

國際空間站是航天器組合層次最具代表性的項目，自從1998年發射開始，發射及組裝了眾多的艙段、桁架及機械臂等結構。并且，支援飛船定期接送宇航員，運送空間站必需的貨物。DARPA提出的“軌道快車”計劃是功能拓展層次的代表項目。該計劃包括兩顆衛星，一顆稱為“自主空間運輸與機器人軌道器”，亦即追蹤星；另一顆稱為“目標星”，用來模擬失效衛星。該計劃主要驗證了在軌裝配、非合作目標交會、失效衛星燃料補給、更換衛星部件等技術。英國薩里航天中心提出了GOAT項目，此項目是整星組裝層次的代表，該機構給出了直徑25 m的大型空間望遠鏡構建的方法，帶有鏡面的裝配單元通過交會對接完成模塊的裝配。NASA蘭利研究中心提出的CIRAS計劃是模塊組裝層次的代表項目，由一個展開長度為15 m的遠距離操作輕型機械臂TALISMAN與精密操作機器人IPJR組成，該機構已經完成桁架結構與太陽能電池陣列的組裝實驗。NASA提出的SpiderFab項目是在軌制造層次的代表項目，其核心是一個具有多機械臂的機器人，其中一個機械臂可以在軌進行3D打印制造結構單元，然后該機器人再將打印好的結構單元裝配為大型空間結構。該技術結合原位資源利用技術，可以實現行星表面就地取材進行建造的愿景。利用標準化接口和模塊化設計，iBOSS項目制造出在軌服務可重構和組裝航天器，該項目提出的標準化接口為模塊化在軌裝配的未來發展奠定了良好的技術基礎。

1.4 發展路線圖

通過對國外在軌裝配技術進行回溯分析，在軌裝配的發展路線如圖3所示。從發展路線圖中可以看出如下的發展趨勢：

圖3 空間在軌裝配任務發展圖Fig.3 Technical developing route map of in-orbit space assembly

1) 應用空間機器人裝配空間大型平臺與基礎設施是航天技術的主流方向之一，由航天員出艙活動直接進行裝配的任務將逐步減少。

2) 裝配航天器的零部件從單一化逐步向模塊化結構發展。

3) 在軌裝配規模向大型化、遠程化、智能化發展。

4) 在軌裝配技術正推動在軌制造、組裝與部署向一體化發展。

1.5 在軌裝配方法

對于空間大型結構的在軌裝配，通過對已有項目的歸納可以得出3種方法：可展開結構構建、可直立結構構建與太空成型結構構建[60]。3類構建方法各有優缺點，其主要區別在于發射火箭的外包絡體積、可靠性、經濟性及裝配完整結構的功能效果。

1) 可展開結構構建

在地面上制造、折疊包裝在運載火箭中運輸到軌道上，入軌后執行結構展開。這為空間大型結構(10 m左右直徑)或中等基線結構(15～50 m)提供了較好的解決方案。可用作支撐桁桿、天線支撐桿、大型平面桁架、大型多孔徑反射鏡和太陽能帆板等。其優點是可適配運載工具的載荷體積、節約質量并無需艙外活動；缺點在于任務單一且風險大，一旦展開無法改變任務，若未展開將導致航天器整體失效，結構復雜性降低了部件的結構效率和系統的可靠性。

2) 可直立結構構建

在軌道上將直立零部件依次裝配起來形成大型結構，部件在地面制造并包裝放入運載工具。入軌后，可通過宇航員/機器人進行裝配。其優點在于緊湊的包裝能力、增強的多功能性和擴展能力、維護和修理適應性強、結構相對簡單，具有構建超大型結構(>100 m)的能力；缺點在于當前機器人技術尚未滿足經濟性與可靠性的要求。

3) 太空成型結構構建

在軌道上將未加工的材料進行現場原位制造，生成在軌裝配所需的零部件。其優點在于原材料運載包裝密度高、在軌裝配任務靈活度大；缺點是加工過程自動化可靠性低，需要額外的裝配活動。對于應急零件更換任務是較好的解決方案。

結合當前的技術成熟度，可直立結構構建方法(對應整星組裝與模塊組裝層次)具有結構簡單、包裝效率高和靈活裝配等特點，成為目前各在軌裝配演示驗證項目采用的主流方法。

2 中國在軌裝配研究現狀

隨著中國未來空間站建設、月球和火星探測計劃的實施，以及其他空間科學計劃的推進，國家對超大型空間基礎設施在軌裝配的任務需求尤為迫切。哈爾濱工業大學是中國最早開展在軌裝配技術研究的單位之一。劉宏團隊開展了基于模塊更換的空間機械臂相關技術攻關，包括多臂協同捕獲、仿生靈巧手和末端執行器等[61-63]。郭繼峰等[64-66]針對大型桁架在軌裝配的任務規劃提出了利用連接矩陣與分層規劃的思路，相關的研究結果有效解決了利用機器人自主裝配序列生成問題。于曉強和鄭紅星[67]提出了基于擴展一致性的拍賣算法，在考慮裝配過程中運輸、安裝等任務的時間先后特性及多航天器協同完成的任務約束條件下，解決在軌裝配任務分配問題。徐文福等[68]針對模塊在軌更換任務，改進了傳統的R-C(Raibert-Craig)力位混合控制方法，實現了空間機器人操控中的力控制與位置控制的平滑切換。在空間大型載荷研究方面，劉兆晶[69]和田大可[70]開展了模塊化可展開拋物面天線支撐機構的設計，提出了等肋長法和空間圓包絡法。時月天等[71]針對空間太陽能電站由薄膜-桁架模塊的在軌組裝提出了一種可在薄膜和桁架表面爬行的足式機器人，結合自然界具有高攀爬能力的生物足端微結構，開展了機器人微結構修飾足特性的附著特性研究。

航天器模塊化設計研究方面，西北工業大學的劉更團隊[72-73]對航天器模塊化設計進行了梳理，并基于虛擬樣機技術，建立了一種支持在軌展開的航天器模塊化構型。黃攀峰等[74]提出了面向在軌服務與維護的可重構細胞衛星技術方案；中國空間技術研究院的馬小飛等[75-76]提出了一種單元拼接式天線的模塊設計方案和新型的六邊形單元展開方案，用于大型模塊化天線發射器在軌裝配。國防科技大學付偉達等[77]提出了模塊化小衛星自動測控系統構建方案。中國科學院長春光學精密機械與物理研究所朱嘉琦等[78]針對空間望遠鏡的在軌裝配設計了裝配機器人及子鏡組裝分系統的地面驗證方案。王洪亮等[79]設計了針對空間紅外望遠鏡的遮陽罩方案。

在軌裝配的關鍵技術研究方面，中國空間技術研究院丁繼鋒等[80]分析了空間微重力、高真空和極端溫度環境下加工過程中材料的受力和運動行為，以及在軌建造過程中的激勵和擾動源、動力學分析與控制的力學問題等。北京宇航系統工程研究所楊自鵬等[81]提出了多任務服務航天器的方案設想，以降低在軌服務操作的難度。中國科學院數學與系統科學研究院李政陽等[82]針對空間的分布式制造提出求解該分布式調度問題的基于易理優化的模因算法。鄧雅等[83]給出了一種基于阻抗控制的無視覺在軌柔順裝配方法。張玉良等[84]提出采用構建航天器數字孿生體的方式抽象表達航天器完成在軌裝配的過程、狀態和行為。

2016年，中國通過利用“天宮二號”上的機械臂開展遙操作試驗，驗證了空間遙控機器人裝配的相關技術；但自主在軌裝配的研究才剛起步，目前為止尚無具體的飛行驗證與在軌試驗。可以看出，中國在此方向的研究尚處于起步階段，以跟蹤性研究為主，創新體系化的方案較少。隨著中國空間太陽能電站、大型天線和深空探測等項目的深入論證，大型結構在軌裝配的系統性研究將逐步進入工程化實施階段。

3 關鍵技術

3.1 技術需求

對于在軌裝配任務最迫切的技術需求包括模塊化設計、模塊間機電連接接口、帶靈巧末端執行器的裝配機器人和地面裝配驗證技術[85-86]。上述技術需求亦包含在NASA 30年的航天發展路線圖中[87]。應用質量機能展開(Quality Function Development，QFD)方法[88]如表2所示，在軌裝配任務的技術需求可以通過建立優先隊列并分類獲得。

在軌裝配涉及方案設計、在軌操控和地面驗證3個部分，而與核心功能對應的使能技術分別為系統架構、裝配機器人/控制技術/接口技術和建模/仿真/測試技術。已有的國內外在軌裝配項目已經部分驗證了相應的關鍵技術，然而其走向實用仍有較長的技術發展路線。

表2 在軌裝配基本能力需求Table 2 Set of basic capabilities for in-space assembly missions

3.2 模塊化技術

在軌裝配的頂層系統設計對于任務的成功至關重要。大型空間結構的模塊化設計一方面可以降低制造成本和發射成本，另一方面也可以降低裝配任務的規劃難度，使空間結構更有可能地向大規模擴展；合理劃分空間結構的網格結構，利用拓撲優化技術使大型空間結構具備最優工程結構設計，在盡可能減少發射質量的情況下使其具備足夠的結構強度；優化設計模塊單元構型，使其方便裝配，同時應當從方便機器人操作的角度對單元的抓持點、安裝方式及安裝接口等進行優化設計；合理的裝配序列對提高裝配效率、降低裝配成本有重要作用，應當充分利用優化技術，既考慮結構本身安裝順序的合理性，又同時考慮安裝機器人的能耗，對大型桁架中模塊及零部件的安裝給出最優的安裝序列。模塊及接口的通用化、裝配效率及經濟效益等是實現在軌裝配工程化應用的關鍵，綜上，模塊化技術研究內容包括：

1) 大型空間結構模塊化系統設計技術。

2) 空間結構網格劃分與拓撲優化技術。

3) 模塊單元構型設計與優化技術。

4) 即插即用接口設計與優化技術。

5) 大型桁架模塊化裝配序列生成技術。

3.3 機器人技術

機器人是實現在軌服務的核心關鍵技術，其自主化、智能化直接影響在軌裝配的成功率、效率和安全性等多個方面。因此，為完成復雜的裝配任務，裝配機器人需要具備認知、學習、精細/柔順操作及大范圍移動等能力。由于發射質量的限制和空間大型結構的裝配需求，需要質量輕但工作范圍大的機器人系統完成對空間大型結構的操作任務；在具體執行操作如針對模塊的搬運/固定、零部件安裝/拆卸等任務時，一般需要不同的末端執行器執行精細操作，因此需要設計多功能且靈巧度高的末端執行器，同時需要可以方便快速地更換執行器；空間狀況比較復雜，不一定時刻有良好的視覺條件，需要機器人能夠具備多樣的測量和感知方式，在降低對工作環境要求的同時能夠提升整體測量精度；機器人在執行安裝任務時，如果移動精度低，可能會造成模塊單元之間的碰撞，使安裝任務失敗，因此需要在盡可能提高機器人移動精度的情況下同時開發柔順控制技術以避免末端接觸力過大，保證機器人安裝過程的安全；完成大型空間結構裝配時，往往需要多個機器人協調配合，完成安裝后還需要多個機器人輔助空間大型結構完成定向或軌道轉移任務；綜上，機器人技術的研究內容包括：

1) 輕質大范圍工作機器人系統設計技術。

2) 多功能靈巧末端執行器設計與快速更換技術。

3) 多模式測量與認知技術。

4) 裝配機器人精確移動與柔順控制技術。

5) 多裝配機器人協同操作分布式規劃與控制技術。

3.4 地面模擬裝配技術

地面模擬裝配技術主要用于完成對在軌裝配的方案評估、任務仿真、性能評估及健康管理等。需要對在軌裝配任務進行充分的仿真模擬，對任務的可行性進行評估，同時在仿真系統內不斷優化來降低后續驗證成本；對裝配機器人的執行動作進行充分的地面試驗并完成校驗，降低制造安裝誤差對機器人操作精度的影響；對裝配對象完成充分的性能評估，保證模塊單元和其裝配后整體結構的強度；利用地面模擬的平行驗證系統，對其中涉及到序列規劃、裝配動作控制和分布式規劃控制等技術進行驗證，并將地面試驗結果與數字仿真系統進行平行交叉校驗，驗證方案及其他技術的可行性和準確性；綜上，地面模擬裝配技術部分的研究內容包括：

1) 在軌裝配任務仿真與優化技術。

2) 裝配機器人協同訓練與校驗技術。

3) 裝配對象性能評估與健康管理技術。

4) 在軌裝配與地面模擬的平行驗證技術。

4 應用前景

在軌裝配技術的未來發展充滿了機遇與挑戰。近年來，與在軌裝配相關的新材料、新技術、新理論不斷涌現。在軌3D打印技術、增材制造/快速成型技術、結合新材料的智能結構技術、柔性機器人技術以及人工智能技術是在軌裝配任務的未來發展方向。3D打印技術可以利用金屬或塑料等在軌打印出所需零部件，在DARPA和NASA資助下，TUI/Firmamentum公司擬利用3D打印技術實現在軌制造大型衛星組件(桁架和反射鏡等)[82]。增材制造/快速成型技術利用星體上本身具有的材料制造裝配任務所需零部件[89-90]，這樣可以大幅降低任務的發射質量，新興的制造技術使空間裝配的可能性大為提升[91]。此外，通過在結構中集成新材料，形成智能結構作為傳感器和驅動器，使結構具有除了承載、傳力、連接等功能外，還有自感知、自診斷、自驅動、自修復等能力，從而更好地適應外界環境的變化[92]，可顯著提升未來大型空間結構的性能。采用軟材料或柔性材料加工而成的軟體機器人具有可連續變形的特點，理論上具有無限自由度，在人機交互、柔順操作和狹小空間作業具有巨大優勢[93-94]，適合在未來大型空間結構裝配過程中執行狹小空間的精細操作任務；人工智能技術在語義識別、無人駕駛及智能機器人等領域的發展突飛猛進，將在未來在軌裝配任務中扮演重要角色，例如可以利用人工智能技術在機器人執行裝配任務時增強目標檢測和靈巧操作過程中的圖像識別能力等。

新一代尺寸更大、結構更復雜、精度更高的空間結構在軌裝配技術將直接影響遙感成像、偵查預警、天文觀測及深空探索等領域的進一步發展，促進空間機器人、人工智能和控制等技術的進步，因此發展在軌裝配技術已成為各國航天研究機構的共識。在軌裝配技術未來的應用領域包括：

1) 多靈巧機器人協同自主在軌維護。

2) 月面/火星基地的遠程智能建造。

3) 太空交通樞紐的中轉站建設。

4) 高清晰度大型太空望遠鏡。

5) 大型太陽能空間電站。

5 結 論

大型空間平臺與基礎設施對于未來的空間探索任務十分必要。本文回顧了國內外在軌裝配技術發展的研究現狀，分別介紹了宇航員手動裝配與無人在軌裝配的典型代表計劃，討論了大型空間結構的構建方法，并給出了發展路線圖。通過分析總結了在軌裝配所需的關鍵技術，包括模塊化零件結構、空間機器人和地面模擬裝配技術等，展望了利用多裝配機器人協作進行在軌裝配的巨大發展潛力，預期為后續的在軌裝配技術研究與發展提供參考。