載人航天在軌維修艙外電動工具的發展與思考(下)

傅 浩， 于 洋， 王 哲， 武婷婷

(1.哈爾濱工業大學， 哈爾濱 150001； 2.北京衛星環境工程研究所， 北京 100094)

1 引言

人類在太空低地球軌道的科學探索越來越廣泛和深入，未來不乏有可能進入深空建立適合人類長期駐留的月球站或者承擔其他載人深空探測任務，在太空惡劣的環境下維持航天器較長時間的安全運行必不可少地需要在軌開展維修維護工作，而艙外電動工具是航天員完成在軌維修任務的必備工具。 至今，除了針對一些特定任務需求開發出的具有特定功能的艙外電動工具外，手槍型電動工具從使用層面符合人因工程，具有攜帶、存取、操作均較為靈巧便捷的優點，以哈勃空間望遠鏡和國際空間站為代表的航天器的大部分常規維修任務均通過手槍型電動工具來完成[1-2]。

典型的手槍型電動工具分為機械結構、電控、電源、人機界面4 個子系統，每個子系統內包括單個或多個必要的模塊。 機械結構子系統提供了輸出扭矩的必要機構模塊，如多級扭矩限制器(Multisetting Torque Limiter，MTL)、動力總成(Power Train)和外殼(Main Housing)以及各種人機交互開關等；電控子系統包括電路板、傳感器、線路等；電源子系統包括電池組及附屬器件等；人機交互界面與電控系統密切相關，由可顯示設備工作狀態與故障狀態的屏幕或者指示燈等組成[3]。 本文對手槍型電動工具的動力總成、電控、電源等子系統進行梳理總結，并對艙外電動工具的研究難點與發展方向進行探討。

2 手槍型電動工具的模塊化設計

以哈勃望遠鏡的第二次維修任務(The Hubble Servicing Mission 2，SM-2)中首次使用的手槍型電動工具PGT 為例，該工具關鍵組成部分采用模塊化設計，共6 個模塊:MTL、動力總成、外殼、電控模塊、人機交互界面和電池模塊[4]，結構剖視圖見圖1。

圖1 PGT 中間剖視圖[4]Fig.1 The middle section of PGT[4]

模塊化設計簡化了設計和裝配難度，便于后續進行性能優化升級，每個模塊都可以單獨安裝和拆除。

2.1 扭矩限制器模塊

MTL 位于PGT 的前端，用于保護硬件免受過大扭矩。 工具的正后方設有安全開關，解鎖安全開關后，旋轉MTL 扭矩調節環可設置6 個擋位，電動模式下扭矩范圍為1.4～67.8 Nm (1.0～50.0 ft-lb)，手動模式下扭矩極限為41.3 Nm(30.5 ft-lb)。 安全開關采用了防誤操作設計[4]。

2.2 動力總成模塊

PGT 的動力總成由電機、減速器、扭矩傳感器和棘輪機構組成。 在NASA 對于無刷直流電機開展的相關應用研究的基礎上[5]，PGT 的電機為28 V 四極無刷直流電機，轉子采用釤鈷磁體，配置霍爾傳感器實現轉速測量。 減速器采用兩級行星齒輪組，減速比為110 ∶1[4]。

通過旋轉棘輪機構配置電動或手動模式，有3 種設置:順時針手動模式(RCW)，電動模式(MTR)和逆時針手動模式(RCCW)。 MTR 模式下離合器處于嚙合狀態，電機輸出軸通過MTL 與PGT 輸出軸連接。 在RCW 和RCCW 模式下，離合器處于松開狀態，負載路徑是通過棘輪棘爪傳遞到主殼體。 此外通過霍爾傳感器抑制電機在RCW 和RCCW 手動模式下的異常轉動[4-6]。

2.3 外殼及機構潤滑

在PGT 的外殼內，設計有MTL、離合器、棘輪環、各式開關等多個運動的機構。 外殼及內部機構部分在溫度交變和高真空環境下可能產生運動機構卡滯，合適的潤滑技術是避免空間環境下運動機構卡滯的必要措施。

由于LEO 空間環境的復雜性和空間機構運動的特殊性，很多地面常溫常壓環境下所使用的潤滑技術不再適用，LEO 空間環境對潤滑材料的物理、化學性質具有直接或間接的影響，將導致潤滑材料的性能退化甚至失效。 目前解決太空機構運動副摩擦一般采用空間固體潤滑技術[7]。

自20 世紀60 年代起，以美國和蘇聯為代表的航天大國開展了固體潤滑方面的大量研究。 如和平號空間站中，載人飛船的發動機軸承、太陽帆板展開機構等均采用了固體潤滑技術。 美國部分航天產品中的滾動軸承、航天飛機的掃描機構等裝置中也使用了固體潤滑技術[7-9]。 中國航天領域從20 世紀70 年代起開展了以MoS2固體潤滑技術為主的研究[10]。

固體潤滑是利用鍍、涂等方法將固體潤滑材料粘著在摩擦表面，形成固體潤滑膜以減少兩承載表面之間的摩擦、磨損或其他形式的表面損壞作用[11-12]。 固體潤滑劑或固體潤滑膜即為這種能夠降低摩擦、減小磨損的固體物質。 常用的空間固體潤滑材料主要分為:軟金屬、層狀結構物、高分子聚合物、其他低剪切強度材料四類[13]。

軟金屬的代表材料為鉛、金、銀等，離子鍍鉛、鍍金、鍍銀膜等在空間機械中廣泛應用。 其優點為與工件結合性好，能夠持續發揮減磨和潤滑作用，無低溫脆性，缺點為抗氧化性和抗原子氧侵蝕能力較差[14]，不適用于低軌艙外應用。

層狀結構物的代表材料有MoS2、WS2、NbSe2等，在空間潤滑領域，濺射MoS2潤滑膜的應用最為廣泛，為提高抗濕性和耐磨性，一般在MoS2中添加Ti、Ni 等形成共濺射膜。 層狀結構物潤滑材料的優點為高承載力以及可以有效地防止真空冷焊，真空摩擦系數和磨損率低，耐高低溫交變和抗輻射性好[14-16]。 但純MoS2在潮濕大氣環境下極易氧化，從而使潤滑性能下降，常見的防護措施有采用高純氮氣或惰性氣體保護。 采用MoS2固體潤滑方式的產品，需考慮密封性良好的貯存箱或貯存空間[15-17]。 近年來發展的類金剛石碳薄膜(Diamond-Like Carbon films，DLC 膜)固體潤滑兼具了金剛石和石墨的優良特性，具有高硬度、高電阻率、良好光學性能以及摩擦學特性，在空間機構中具有較多的應用[18-21]。

高分子聚合物的代表材料為PTFE、PF、EP、PI、PA 等，優點為真空摩擦系數低，化學穩定性好，低溫性能和電絕緣性好，缺點為承載能力較差[16]。

其他低剪切強度材料為金屬氧化物、氟化物、硫化物等，如PbO、CaF2等在高溫下具有良好的潤滑作用。 該類材料在高溫下具有高抗氧化性，且摩擦系數隨著溫度升高而減小等特點，但目前只適用于一些特殊用途的潤滑[16]。

2.4 電控模塊

電控模塊由安裝在鋁外殼上的模擬電路板和數字電路板組成。 這些電路板主要由以下組件構成:1 個87C196KD 單片機、1 個時鐘振蕩器、內存地址鎖存、EEPROM、1 個可擦可編程邏輯設備(EPLD)EMP5130、82C55 端口擴展器、DAC-8412四路數字模擬轉換器、應變儀轉矩傳感器信號調節電路、溫度(電機、電池和電動混合動力)信號調節電路、硬件轉矩報警電路、閉鎖限流電路以及電機驅動混合電路。 系統設計的難點為將電機控制系統、1 個測量信號調理系統、1 個8 通道/10 bit數據記錄系統和1 個可靠的電源封裝到大小為245 cm3(15 in3)的體積中。 PGT 采用了先進的電子設計和裝配技術解決該難點，包括全數字控制方案、多功能微控制器、現用混合微電路(Off-the-Shelf Hybrid Microcircuits)、可編程邏輯和雙面表面安裝技術[4，22]。

PGT 的電控模塊及控制軟件實現了三大功能:伺服控制、故障檢測、數據采集。 伺服系統為閉環反饋控制系統，它限制了電機的轉矩、轉速和角度輸出。 基于比例和積分控制算法，使用脈沖寬度調制和電機自身速度控制曲線數據。 軟件允許電機在以下3 種情況下工作:程序轉矩、程序轉速、基于自身速度/轉矩曲線的最大輸出。 計算機系統還收集和存儲故障數據、診斷數據和性能數據，可以檢測到軟件、溫度、電流、電壓和扭矩的各種故障。 故障歷史記錄存儲在非易失性內存中，以便在開發、測試和使用期間排除故障。 NASA等機構針對無刷直流電機及控制策略在空間環境下的應用及效果開展了相關研究[23-26]。 PGT 采用的無刷直流電機與控制器以及FPGA 電路均應考慮LEO 軌道上的粒子輻射防護，也可采用一定的三模冗余等容錯設計技術，以避免發生故障后的控制系統失效[27-30]。

在每次HST 維修任務之前，PGT 都通過RS-422 或RS-232 接口進行編程。 每個任務可編程設置14 個扭矩和3 個速度，每個扭矩也可以編程設置特定的轉數或角度。 可設定的扭矩范圍為2.7～33.9 Nm(2.0～25.0 ft-lb)；可設定的轉速范圍為0.5～6.3 rad/s(5.0～60.0 r/min)，可設定的轉數范圍為0.01～999.99 r 或1～1000°。 其他可編程變量包括堵轉時間、休眠時間、自動關機時間、扭矩閾值和角度閾值。 PGT 可以精確記錄拆裝某個螺釘的旋轉方向、扭矩和旋轉圈數[4]。

2.5 人機交互界面

人機交互界面用于航天員控制和獲取工具狀態，并通過字母數字顯示和發光二極管(LED)等提供視覺反饋(圖2)。 航天員通過各種開關以及MTL 扭矩環、棘輪環、程控扭矩環和速度環等來選擇PGT 的配置。 速度環有一個CAL 鍵，可測試LED 字母數字顯示和校準扭矩傳感器[31]。 開關包括開/關斷路器、A/B 模式開關和扳機。 通過LED 和字母數字顯示向航天員顯示配置、性能和故障信息。 LED 由電源(綠色)、故障(紅色)和扭矩(綠色)組成。 字母數字顯示器顯示程序轉矩、程序速度、方向、實際峰值轉矩和自上次配置更改以來的實際累計旋轉次數，故障信息也會在顯示屏中顯示[4]。

圖2 PGT 人機交互界面[31]Fig.2 PGT Operator interface[31]

2.6 鋰離子電池組及熱失控防護

理想的空間電池技術需保持電池體積足夠小，便于航天員使用，能夠提供長續航，自身安全不易發生泄露等故障。 PGT 的電池組要求在HST 維修任務中最惡劣的熱邊界條件下，可保持至少28 V與1 A連續電流的電子器件和8.25 A 的電機峰值電流，且具有足夠的電量進行整個6 h的艙外活動。 自可充電電池發展至今，典型的可能用于電動工具電源的4 種電池技術分別為:鎳鎘(NiCd)、鎳氫(NiMH)、鋰離子(LiIon)和銀鋅(AgZn)。 其中，鋰離子電池具有最高的電池電壓和體積能量密度，PGT 是第一個采用了鋰離子電池的空間設備[4]。

每個PGT 電池組包含10 個串聯的3.7 V/2.6 Ah 的18650 鋰離子電池單體，可形成一個41 V的開路和一個36 V 的標稱閉合電路，充電時為2 并5 串結構。 電池組由可拆卸的鍍鎳鋁外殼包覆，電池組的一端是一個小型矩形電連接器，它是電池組與工具端的供電接口。 在工具短路的情況下，由10 A 保險絲提供過電流保護。 電池模塊和電池護罩上帶有導向槽，以防止錯誤插入。 內置溫度傳感器，超過標稱溫度時，通過顯示屏向用戶顯示電池溫度過高報警，如電池溫度升高并接近不安全的水平，則會自動斷開電源。

鋰離子電池能量高、體積小，缺點是工作溫度區間有限，極限工作溫度區間約為－20～50 ℃，最佳工作溫度為20～40 ℃，且在高溫時熱穩定性較差，容易產生熱失控(Thermal Runaway，TR)。 因此在低地球軌道的陰影區使用時，需減少熱耗散以保持電池溫度，在陽照區，需處理在環境溫度過高的情況下電機等大功率部件運行時導致電池產生的高熱，以防止鋰離子電池高溫產生失效，甚至起火、爆炸等事故[32]。

對于鋰電池安全問題，Darcy 等[33]針對10 節18650 組成的鋰電池組的熱失控開展了一系列的研究，圖3 為該團隊開展鋰離子電池熱失控研究所使用的電池結構。 研究總結了鋰離子電池熱失控防護的關鍵點:減少電池單體因高溫等原因導致破裂的風險；電池內部單體之間有充足的空間，避免電池單體之間直接接觸使得內部無熱擴散通道，導致電池組整體熱失控；并聯單體間設有保險絲，防止單體熱失控后對其他單體產生加熱效應；保護熱失控單體附近的其他單體，防止單體熱失控后產生的固液氣等導電物質導致其他單體短路；熱失控后防止電池組內部朝外噴射火焰和火星。 研究表明，殼體上設計碳纖維刷組成的防火透氣孔，可以在熱失控后平衡氣壓及阻擋內部的火焰和火星向外噴射；將單體安裝于由Al 6061T6鋁合金制成的蜂窩狀結構件內，在提高結構強度同時提高內部散熱能力；兩端通過環氧層壓板進行固定；單體外層包裹云母紙后插入鋁合金孔內[33-36]，如圖4 所示。

圖3 PGT 電池組[33]Fig.3 PGT battery pack[33]

圖4 電池組的熱失控防護設計[33]Fig. 4 Thermal Runaway protection design of battery pack[33]

3 艙外電動工具的優化與地面驗證

3.1 持續的優化及測試

為了保證艙外電動工具正確、安全且有效地工作，NASA 的戈達德太空飛行中心(Godard Space Flight Center， GSFC) 的 EVA 負 責 人Cepollina 和EVA 經理Werneth 清晰地闡述了研制維修哈勃的工具的主要目標和重要標準之一即是持續地測試，并稱之為一個重要的教訓，因為在工具測試上花費的時間可以節省寶貴的EVA 在軌工作時間和研制成本。 GSFC 的EVA 團隊建立了標準規范，明確了發射要求和工作環境，對每種工具的安全系數進行核查，并制定嚴格的測試和認證規范。 由于每個航天飛機任務都有限定的質量分配，導致每種工具均不存在更多的備份件，需要在確保足夠高可靠性的前提下盡量輕量化，需要不斷地優化和測試。 GSFC 針對每個EVA 執行的任務以及每個任務需使用的工具，均按重要性提前規劃，形成任務概要時間表和每個EVA 任務的工具集目錄，并做到充分的測試和驗證。 工具集目錄作為參考基準，當新工具研制并投入使用時，冗余工具則被剔除[37-39]。

3.2 艙外工具的地面驗證

NASA 針對航天員使用PGT 或者其他艙外工具進行在軌維修任務設計了一系列的地面培訓學習程序。 在軌維修的每個動作都需經過細致的分析和地面驗證，演練需要克服重力影響，主要分為水下演練和懸吊演練。

NASA 的中性浮力實驗室(Neutral Buoyancy Laboratory，NBL)包含航天員訓練設施和中性浮力游泳池，位于德克薩斯州休斯頓約翰遜航天中心附近的桑尼˙卡特訓練設施中[40-41]。 俄羅斯、ESA 等航天機構也建造了類似的中性浮力實驗室[42-43]，如位于俄羅斯莫斯科的加加林航天員訓練中心( Gagarin Cosmonaut Training Center，GCTC)的中性浮力試驗室，位于德國科隆的歐空局中性浮力實驗室(Neutral Buoyancy Facility，NBF)。 航天員可以在中性浮力實驗室執行模擬的EVA 任務，為即將進行的任務開展訓練。 受訓人員穿著的訓練航天服可以提供中性浮力，以模擬航天員在太空飛行中的微重力環境。 航天員在水槽中進行演練時，所有的維修動作都需在一個1 ∶1 的目標模型上反復模擬操作。 軌道ATK 公司、戈達德太空飛行中心的Liszka 等設計了一個防水的手槍型電動工具，外形與在軌使用的PGT的正式版本基本一致，專用于航天員水下訓練，并采用不用顏色區分不同長度的加長桿。 該水下版PGT 工具設計上的創新點包括使用輕質材料(鋁和Delrin?高性能聚甲醛樹脂)制造一個更輕量化的外殼，并對內部空間的布局進行優化與減重設計。 該工具的另一個創新之處是應用了一個水密性的密封裝置，在水下可以可靠地使用長達6 h，在水中該工具重量為1.1 kg(2.4 lb)[44-45]。圖5 為使用該水下版PGT 開展水下中性浮力訓練。

圖5 水下中性浮力訓練[45]Fig.5 Underwater neutral buoyancy training[45]

此外，為了使航天員初步熟悉真實的工具使用工況，需使用在軌使用的工具開展地面訓練，因PGT 的正式版本自重較重，不利于單手操作，針對地面級功能性測試，采用輔助懸吊抵消重力影響。 NASA 約翰遜航天中心的航天飛機模型設施中的主動響應式重力卸載系統(Active Response Gravity Offload System，ARGOS)可完成懸吊訓練。ARGOS 系統可以讓航天員處于懸空狀態，并擁有完全的運動自由度，可模擬微重力環境[46-47]。 圖6 為ESA 英國航天員Timothy Peake 在使用PGT進行國際空間站EVA 的ARGOS 訓練[48]。

圖6 ESA 英國航天員Timothy Peake 在進行國際空間站EVA 的PGT/ARGOS 訓練[48]Fig.6 ESA astronaut (UK) Timothy Peake during ISS EVA PGT/ARGOS training[48]

4 手槍型電動工具的難點分析

4.1 設備功能的完備性與可實現性的協調

在軌部署與在軌維修任務具有一定特殊性，在空間環境方面，面臨真空、極端溫度、輻射等影響；操作性方面，要滿足航天員著太空服后的可視性、操作便捷性、操作安全性、對航天員的反作用力等；在設備功能方面，電池長續航、接口通用性強、適應力矩范圍大、輸出力矩精度高、可調轉速范圍大等。 因此理想的艙外電動工具應該具有體積小、質量輕、續航時間長、反作用力小、適應力矩范圍大、輸出力矩精度高、可調轉速范圍大、標識清楚、操作便捷簡單、良好的安全性等特點。 但是各個性能要求之間存在相互制約的關系，例如，在目前的技術能力下，電池的體積與續航時間及工具體積成正比，負載扭矩越大則工具續航時間越短，體積與質量越大則可操縱性越差，輸出力矩較小時難以控制力矩精度，轉速越慢則需要的操作時間越長等。 此外，還包括當航天員無法手動調節參數時是否支持遙控操作，不同長度及規格的延長桿的端部力矩是否最優化等。 相對于地面電動工具工作的環境及所需要的性能要求，艙外電動工具的實現難度巨大，NASA 經過近50 年的積累，最終形成了適用于國際空間站部署與維修的工具參數。

4.2 有限防護條件下的器件在空間環境下的性能

艙外電動工具內對LEO 環境敏感的主要有電機、電池和電路板等含電子元件的部件。 目前主流采用的無刷電機的環境耐受溫度一般不低于－55 ℃，而低軌實際環境溫度要低于此溫度，因此在低溫環境下對內部器件的防護需要特殊設計。針對低溫區的極冷環境，需要采取一定的保溫措施。

電池及電路板上的個別高功率器件在高溫區長時間運行后，工具本體的產熱與環境的高溫作用疊加，可能會導致工具過熱故障。 大多數電子器件均有理論耐受溫度范圍，優良的艙外電動工具在有限的體積內要滿足極冷極熱環境下的溫度適應性，對關鍵器件進行防護，同時還要足夠的金屬屏蔽層保證器件不受空間輻射影響。

空間站低地球軌道上的平均太陽熱通量負荷密度約為1367 W/m2[49]，艙外設備的暴露外表面在陽照區時會快速升溫，在陰影區時會迅速降溫。此外工具內部的鋰離子電池和大功率器件在連續工作一定時間后會產生熱量。 艙外電動工具需要開展熱設計，從而解決在溫度交變環境下的正常工作和內部大功率器件散熱問題。

為減少太陽熱通量的影響，較為常見的解決方案是在結構外表面增加熱控涂層。 以一種熱控白色涂料為例，太陽吸收率約為0.2，紅外發射率約為0.7。 此外陽極氧化也是常見的金屬表面處理工藝，如一種陽極氧化表面的太陽吸收率約為0.3，紅外發射率約為0.5[50]。

要滿足在大溫度變化區間范圍內使用，合理的熱控設計十分關鍵。 然而同時實現快速將內部功率器件的熱量傳導出去，并保持外部環境低溫下時內部溫度不過低，外部環境高溫下時內部溫度不過高，這幾種極限工況的需求本身互相制約，因此探究合理的溫度平衡區間十分重要。

無論是在工具的外部采用常規的多層隔熱組件，還是采用熱控涂層，這些熱控措施不耐受長期多次觸碰，易產生劃痕甚至破損，進而影響熱控性能。 因此理想的外表面為具有特定熱控參數性能的硬質材料，具有較高的紅外發射率和較低的太陽吸收率，且具有一定的耐磨性能，可保持熱控參數較長時間不因磨損而改變，同時其表面材料的熱傳導系數較低，盡量地隔絕外部環境對工具的影響，從而利用工具內部自身的功率器件產熱并快速傳導擴散至工具內部其他部分，既能在外部低溫環境下保證內部的溫度不會過低，同時也避免個別功率器件產熱過高引起工具故障。

4.3 鋰電池的安全防護

受限于工具體積，目前艙外電動工具主流的電池組方案采用能量密度較高的鋰離子電池，由于空間環境溫度可能達到的低溫和高溫均遠超過鋰電池的最佳工作溫度區間，鋰電池的安全防護主要分為低溫熱控保溫及高溫熱失控防護2 個層面。 低溫區的熱控保溫防護主要為防止電池在過低溫度下產生的容量變低、衰減嚴重、循環倍率性能差、析鋰現象明顯、脫嵌鋰不平衡等問題[51]，尤其在出艙后即為低溫區，且出艙較長一段時間后才開機工作時，為保證鋰電池組溫度不會過低，需要采取必要的熱控防護措施，甚至主動熱控措施。

鋰電池在高溫區環境下長時間工作后，由于鋰元素的不穩定性，容易產生電池組熱失控，嚴重的熱失控甚至產生電池泄露、起火甚至爆炸。 對于電池組件，需設計合理的電量監測，電池單體之間避免產生顯著的壓差，單體之間采用合理的間隔材料傳導消散熱量以及足夠的電池熱失控物理防護措施，確保在發生熱失控之后，不會對航天員產生安全影響，避免導致災難性的后果。

4.4 運動機構潤滑困難

艙外電動工具內一般設計有減速器、力矩限制器、旋轉或直線開關等運動副，這些運動機構在真空低溫下較長時間不動作，可能產生機構卡滯，目前空間運動機構普遍采用一定的潤滑措施。 傳統的二硫化鉬潤滑涂層容易脫落，在軌長期使用效果較差；油膏狀二硫化鉬潤滑油脂易揮發，且低溫下增加額外的運動阻尼，降低工具的有效輸出扭矩。 在潤滑措施效果有限的情況下，潤滑措施的有效工作時間與工具的壽命直接正相關，精確設計工具中運動機構的運動次數，可以針對采用的潤滑措施推算出工具的理論壽命。 研究更長壽命的潤滑措施也是艙外電動工具長期在軌安全使用的關鍵。

4.5 地面試驗驗證困難

開發一款新式的艙外電動工具需要完成一系列地面驗證試驗。 其中最復雜的是在模擬熱真空環境條件下實現螺釘的擰緊擰松、速度檔位調節、電機的啟停控制等機構運動，密封殼體內各部位的溫度監控等試驗。 熱環境下的機構運動試驗需要設計專用試驗裝置，并且對于個別的運動工況還需模擬等效微重力下的機構運動，具體試驗參數的確定和試驗裝置的設計均較為困難。

為了配合航天員在水下試驗艙開展中性浮力訓練，需要開發水下專用的防水電動工具。 可借鑒現有的商用防水技術，但是將一款新式的防水電動工具進行良好的工程化需要重新考慮較多的因素，如可能涉及的電機水冷、密封、防腐蝕、防短路等。

5 結語

本文以哈勃望遠鏡的第二次維修任務SM-2中首次使用的手槍型電動工具PGT 為例，介紹了手槍型電動工具的典型模塊化設計、艙外工具的測試與地面驗證工具與設施等，并總結出了手槍型電動工具的研制難點。 目前最為成熟的手槍型電動工具PGT 采用了模塊化設計，便于工具升級，包括鋰離子電池組、無刷直流電機動力總成、多級力矩控制器、可編程數據輸入輸出接口等模塊，還針對鋰離子電池的熱擴散和熱失控開展討論。

未來人類發展的太空任務距離地球越來越遙遠，從月球到火星都可能開展在軌維修任務。 當前技術條件下，載人航天器相關的在軌維修操作一般由航天員來完成，然而對于中高軌道乃至深空探測的航天器，人類短期內無法到達，其在軌維修任務只能由無人維修工具來完成。 相較航天員操作的手持艙外電動工具，無人工具難度更高，除需能夠適應可能更惡劣的空間環境外，機構運動的靈活性在完成絕大多數任務上均遠不如人手靈活，尤其類似串聯機械手等機構在微重力下的機械累積誤差，可能導致工作機構的末端擺動幅度過大，無法準確地抓取或者實現某些對位動作。無人在軌維修潛在的對象更為廣泛，可以面向所有航天器，但一般高速飛行的航天器捕獲較為困難，深空探測類航天器的維修還需解決遠程通訊問題。

無論是由航天員還是由機器人對航天器進行維修，最終涉及到執行工具部分的原理都是相同的。 當前中國載人航天工程中的艙外電動工具尚處于起步階段，建議開發該類工具時重點關注空間環境防護、工具熱控設計、電池管理與熱失控防護、運動機構潤滑、力矩精確控制等方面，進一步亦可考慮開發智能化、小型化的艙外電動工具，簡化設計難度，提升操作靈活性，并不斷優化以提升工具性能及可靠性，為在軌維修任務提供高效實用的電動工具。