特種機器人及技術在航天發射場的應用研究

王曉明， 劉占卿， 滕 飛， 侯科文

(北京特種工程設計研究院， 北京 100028)

1 引言

航天發射場系統是由為航天器和運載器進行裝配、測試、轉運、加注等發射前準備與實施發射控制而建造的一系列功能相關的地面設施、設備所組成的綜合體，是航天發射、空間應用與深空探索的關鍵起點與重要支撐[1]。 航天發射場系統涉及多個專業與學科，涵蓋大量通用/專用技術設備，相應的操作與運維種類繁多，工作量大、重復性強、危險性高、人員密集。 目前，發射場系統從產品進場、測試、轉運直至進入發射流程的工作以及日常地面設施設備的運維管理等基本依賴人力完成，信息化與智能化程度較低，不利于航天發射場無人值守的實現[2]。

當前，世界航天強國對發射場的建設與運維均提出了信息化與智能化的要求。 NASA 在其發布的2020 版NASA 技術路線圖中明確指出發射場智能化建設需求，并著重提出機器人技術在航天發射場系統中的應用場景[3]。 國內肖力田等[4]提出了智能化發射場的概念，也指出了機器人及技術在航天發射場中的重要作用。

特種機器人是一類面向非制造業的先進機器人，可根據特定需求協助或替代人類完成危險性高、重復性強等類型的工作，成本更低，危險性更低，效率更高[5]。 相比于工業機器人，特種機器人的種類更多、功能更強，具有復雜環境適應能力、環境感知能力及自主運動與決策能力。 特種機器人具有多種類型，如探月/火無人車、空間機械臂、無人飛行器、水下機器人、巡檢機器人、醫療機器人、采摘機器人、安防機器人等，廣泛應用于航天航空、科學探索、醫療健康、工業農業、生活娛樂等多個領域[6]。

本文從航天發射場運行與維護特點出發，結合國內外航天領域特種機器人的研究與應用現狀，分析面向發射場的特種機器人及其關鍵技術。

2 航天發射場運維特點

航天發射場系統的運維具有典型的4D[7－8]特點:索然無味(Dull)、不能接觸(Dirty)、非常困難(Difficult)以及十分危險(Dangerous)，如圖1所示。

圖1 航天發射場運維工作Fig.1 Operations and inspections in launch site

1)工作環境危險性高，特種作業集中。 航天發射場涉及的大部分工作內容均為高危特種作業，如高空作業、防爆檢測、壓力容器作業、危險化學品作業等。

2)運維保障工作龐雜，內容枯燥重復。 航天發射場系統涉及了大量的設施設備、管線管路，日常巡檢維護工作量大、重復性高，耗時費力。

3)設施設備超高超大，檢測維護困難。 發射場特殊的工作環境要求，設施超高、超大，導致安全檢查與應急維修困難。

3 特種機器人在發射場的應用

特種機器人主要由三大系統組成:運動系統、功能系統與人機交互系統，如圖2 所示。 運動系統是實現特種機器人空間移動的關鍵部分，主要由機械系統、控制系統與驅動系統構成，可實現軌道運行、空間飛行、攀爬行走、腿/輪/履行走、水下推進等多種運動方式[9]；功能系統是實現特種機器人目標功能的關鍵部分，可利用傳感感知系統，對環境進行綜合、全面、多層次的立體感知，并進一步通過執行器完成特定作業等其他功能；人機交互系統利用計算機處理能力，對所采集的數據進行記憶存儲、累積分析、預測研判，建立參考與依據，通過決策系統開展下一步工作。

圖2 特種機器人系統組成Fig.2 System composition of special robots

特種機器人在航天領域涉足最深并且應用最早，尤其是空間應用與空間探索方面。 太空環境極其惡劣，工作內容復雜困難且危險性高，不適于人類直接接觸與展開工作。 美國、歐洲、日本及加拿大等國家開展了廣泛而深入的研究[10－12]。 空間機器人是特種機器人研制與應用成果的典型代表。 根據功能劃分，空間機器人包括服務型空間機器人與探測型空間機器人，前者包括在軌服務、空間碎片清理等相關技術，目的是延長航天器壽命、解決航天器故障、移除空間碎片、清理廢棄衛星等[13]；后者用于載人深空探測的支持、低重力場環境探測、行星表面任務等，如月球探索、近地小行星探索、火星無人探測、水星等星體等。 此外，空間機器人還可用于協助人類探測星球，管理在軌資源等[14]。

在航天發射場系統中，國內外關于特種機器人的應用及研究較少。 其研究內容及成果集中在基于機器人技術的推進劑加注的自動對接與脫落技術。

推進劑加注是火箭發射前的重要環節。 加泄連接器的對接與脫離既是加注中的高危險環節，又是實現加注過程自動化需解決的首要問題。 運載火箭應用較多的推進劑包括肼類、氮氧化物等常溫推進劑與液氫、液氧等低溫推進劑[15]，危險性極高。

自動對接技術是一項涉及火箭結構、動力系統、加注系統、連接器等多系統、多學科高度集成的技術。 箭體的加注連接主要集中在尾端、腰部及整流罩處等位置。 隨著高度的增加，箭體受外界載荷的影響逐漸加大，產生的晃動量也逐漸增加，因此自動對接技術需要具備動態測量、跟蹤、隨動等能力，在動態對接、隨動過程中又涉及到對接載荷控制、機構可靠性等問題，技術難度大幅增加[16]。 俄羅斯(蘇聯)、美國、法國、日本等國都積極研制應用于推進劑加注環境的對接與脫離自動化技術，并得到成功應用。

俄羅斯(蘇聯)最早開始研究自動對接技術，實現了運載火箭加注連接與脫落的無人值守，如天頂號和聯盟號。 以天頂號為例，該火箭內部設計了通長的加注管路，使火箭二級、三級連同一級推進劑加注口集中在一級尾端[16]，加注口位置晃動很小。 因此，天頂號火箭的自動對接采用了剛性對接技術，其自動對接系統包括機械本體、執行機構、跟蹤定位機構、氣動系統、觸覺裝置等，這些裝置及導向管裝在滑軌式底座上。 連接過程與脫離過程由發射設備遙控系統的中央控制臺控制實現[17－18]。 圖3 為天頂號火箭的自動對接機構。

圖3 天頂號火箭的自動對接機構[17－18]Fig.3 Connector automatic docking mechanism of Zenit[17－18]

美國在運載火箭與地面的連接中多采用零秒脫落方式，僅在部分加注位置(如箭體尾端)采用自動對接技術，如SpaceX 的獵鷹系列火箭，如圖4 左圖所示。 后期基于航天器在軌加注的應用需求，美國又開展了遠程智能臍帶系統、自動化地面臍帶系統等研究，其研究成果可同時用于地面無人加注。 遠程智能臍帶系統是肯尼迪航天中心與Rohwedder 公司合作開發，樣機于2002 年交付給NASA，如圖4 右圖所示。 對接系統在托盤處設置傳感器探頭，可實時檢測箭體在風載下的晃動情況，數據傳遞給遠程控制中心，通過高精度伺服電機完成連接器位置的調整，保持與箭體相對固定。該系統應用于美國下一代運載火箭，可以在任何時刻完成與箭體的對接、分離與再對接[19]。

圖4 美國火箭的自動對接機構[19]Fig.4 Connector automatic docking mechanism of USA[19]

在法國庫魯發射場總裝測試廠房內，阿里安V 火箭上面級氫氧加注連接器是通過2 組臍帶機械臂完成自動對接的，該連接器隨著機械臂在發射前約4 s 時實現自動脫落[20]，如圖5 所示。

圖5 法國機械臂式自動對接機構[20]Fig.5 Connector automatic docking mechanism of mechanical arm of France[20]

日本H-IIA 火箭一級加注連接器采取底部垂直自動對接、提前脫落形式，利用球閥隔絕空氣的方式使其具備二次對接功能[16，21]，二級加注連接器于總裝測試廠房內人工對接，發射時零秒脫落。

目前，中國運載火箭推進劑加注過程中加泄連接器與箭體活門的對接與撤收工作仍采用人工方式完成。 隨著新一代運載火箭的研制與應用以及機器人技術的不斷進步，北京航天發射技術研究所自2001 年起即開展了相關技術的研究，在八五期間完成了低溫推進劑火箭臍帶自動跟蹤對接機器人原理樣機的研制；2020 年8 月完成了運載火箭無人值守加注及測試發射技術驗證試驗，成功利用視覺單元系統實現加注機構的自動對接與鎖緊。

酒泉衛星發射中心聯合上海交大設計研制了一種能夠與火箭加注口自動對接與撤離的機器人，如圖6 所示。 該機器人利用SCARA 機械臂配合激光雷達定位系統，實現自動定位與跟蹤。 柔順對接與撤收機構為機器人與火箭對接的機械載體，當火箭晃動時，能夠避免機器人的剛性結構對火箭的沖擊[22－23]。

圖6 酒泉衛星發射中心研制的加注機器人[22]Fig.6 Propellant loading robot designed by JSLC[22]

4 面向發射場的特種機器人及其關鍵技術

4.1 特種機器人的應用類型

特種機器人及技術所涉及的領域較為廣泛，本文基于發射場的運維特點與無人值守的功能需求，將特種機器人分為3 類。

1)巡檢類機器人。 主要適用于巡檢工作量大、環境復雜惡劣、甚至具有危險性的場合。 在航天發射場系統中存在大量的設備控制房間、高/低壓配電房間、消防泵間、推進劑加注庫房，在室外還布置有長距離的各種外線，包含控制、電氣、液壓、暖通、消防等。 根據作業環境，巡檢類機器人可完成常規環境/常規設備巡檢工作與特殊環境/特種設備巡檢類工作，在有防爆要求的環境下，采用離線與非接觸方式，利用自身攜帶的傳感設備，完成視頻采集、圖像與音頻采集、溫濕度采集、煙霧濃度報警、表面檢查、檢漏功能、讀表與記憶、故障定位與處置等。 巡檢類機器人已經較為廣泛應用于民用特種行業，如核電站、變電站、配電室、開關室、車間、檔案室等[24－26]，也可用于地下管廊、石油化工、煤礦等危險環境[27－29]。 圖7 為典型的巡檢機器人。

圖7 巡檢機器人Fig.7 Inspection robots

2)維護類機器人。 主要用于不具備可達性或者難以達到的、環境復雜、危險性高場合的維修與維護工作。 航天發射場系統中的非標準建筑、設施設備均具有超高、超大的特征，如發射塔架、總裝測試廠房及相應設備，部分設備維護難度較大，如回轉設備的狀態檢測與潤滑、推進劑儲罐的表面檢測與涂裝、高層封閉板尾焰吹掃破損后修復、鋼構金屬表面的除銹防腐等。 維護類機器人應具備空間的可達性，并具備視頻、圖像、音頻與紅外采集功能，攜帶機械臂等特定設備，以自行或者遙控方式安全可靠工作。 相比于巡檢類機器人，維護類機器人功能要求更高，并具備問題處理能力，因此研制難度更大，應用也相對較少。 目前，維護類機器人(如爬壁機器人、管道機器人)主要應用于船舶表面與壓力容器表面處理、特殊管路的內部清洗等場合[30－32]，如圖8 所示。

圖8 爬壁機器人與管道機器人Fig.8 Crawling robot and pipe robot

3)特種操作類機器人。 主要用于環境惡劣、危險條件下的特種操作活動，如推進劑加注/泄回、航天器的吊裝對接及航天器與箭體返回殘骸的搜索等。 目前，特種操作類機器人主要為推進劑加注/泄回相關的機器人。 此外，塔式起重機與室內移動式起重機也屬于應用于航天發射場的特種操作類機器人。

4.2 關鍵技術

為了降低人員危險性與操作困難度，需要增強特種機器人及其搭載設備的工作能力，包括腐蝕高效無損檢測、低溫泄露安全監測、航天器智能吊裝、加注連接器自動對接等。

4.2.1 針對腐蝕的高效無損檢測

設備腐蝕檢測是發射場巡檢工作的重要內容，尤其是濱海發射場常年經歷高濕度與高鹽霧，檢測的對象主要包括各種輸送管道、鋼結構、機械/控制設備等，檢測方式依賴于人工目測檢查，缺乏判別標準，依賴于人員經驗，效率較低且準確性較差。 腐蝕的檢測可以通過無損檢測＋圖像識別的方式完成，即通過無損檢測技術實現對設備的腐蝕現象、特征快速采集，利用計算機圖像識別和處理能力判別腐蝕程度。

當前，針對腐蝕的非接觸式無損檢測手段很多，主要有射線探傷、紅外成像技術、磁粉檢測技術、超聲檢測技術、射線照相技術、渦流法檢測技術與聲發射技術等。 其中，紅外線熱成像技術是基于物體在常規環境下根據其自身的分子和原子運動的劇烈程度的強弱而向外輻射不同程度的熱紅外量，通過這些熱紅外量來判斷腐蝕情況。 超聲波檢測技術利用了超聲波對不同狀態的材料，其聲波反射情況和穿透情況具有不同的特征表現，超聲波在穿透物體的同時，也會發生聲波的折射和反射等現象，將這些聲波信息收集起來借助計算機進行分析處理，能夠得到設備的全面信息[33－35]。

結合發射場的設備特點與環境特點，紅外成像技術與超聲檢測技術易于搭載于機器人上，現場處理更加快捷，靈敏度更高，安全準確。 后端可利用圖像識別腐蝕特征[36]，將神經網絡、遺傳算法等智能計算方法引入到圖像處理當中，基于腐蝕特征、面積與位置建立腐蝕變化的時歷圖，以判斷腐蝕程度及發展趨勢，為設備表面防腐防鹽霧處理提供參考依據。

4.2.2 低溫推進劑泄漏安全監測

低溫推進劑的泄漏檢測較為特殊。 以氫氣為代表的低溫燃料沸點極低，遇空氣很快氣化并結霜，產生的泄漏微弱不易察覺。 普通的檢測手段無法實時獲取相應特征及現象。 當氫氣泄漏濃度達到4%～74.2%時，空氣將變得易燃易爆，極易引發安全事故。 因此低溫推進劑的泄漏監測十分重要。

氫不僅是航天領域的重要推進劑，同時也因其獨特的導熱特性而在高功率發電機的冷卻中得到應用，如核電站千兆瓦級汽輪發電機[37]。 因此，氫泄漏的檢測也成為發電機安全運行的重要環節。 氫傳感器主要包括鈀柵氫敏傳感器、催化燃燒傳感器、熱導式傳感器、電化學傳感器與光纖傳感器[38]。 其中，光纖傳感器是一種以透明非金屬為介質、以光脈沖的形式傳遞信息的傳感器，可耐受極限溫度與化學品腐蝕，在測試敏感點無需使用電源，避免引起火花，并可抵抗電磁干擾。2001 年美國智能光學系統公司(IOS)開發的運載火箭光纖氫泄漏檢測系統在Delta-IV 火箭靜態點火中得到試驗驗證。 該系統采用多點光纖傳感器系統，有效解決了火箭內部/外部氫泄漏的實時檢測問題，適用于火箭及推進劑加注系統中低溫貯箱、推進劑管線的氫泄漏檢測。 俄羅斯托木斯克國立理工大學和捷克布拉格化工大學的聯合研究團隊也開發了一款基于光纖的氫氣監測傳感器，可對濃度2%的空氣中的氫氣進行有效檢測，該技術主要面向無人值守的加氫站以及燃料電池應用[39]。

4.2.3 航天器吊裝智能控制

航天器的吊裝與對接有著嚴格的組織流程和操作規程，工況、輸入條件與外部環境等(如吊裝載荷形態、重量與尺寸、吊裝路徑、起始位置與對接位置、潛在障礙物)都是明確的。

航天器吊裝的智能控制實質上一種智能起重機，替代人員自動完成箭體的位置識別、載物取放、路徑選擇、調整防搖等，并實時記錄和監控工作狀態，自動診斷故障并報警[40]。 結合航天器與發射場特點，箭體吊裝的智能控制及安全操作主要涉及空間定位技術、路徑規劃技術、防搖晃技術、狀態檢測與故障診斷技術等。 空間定位技術應結合箭體的吊裝環境，在室外簡單空間以編碼器、限位開關與視覺識別為主要手段；在室內或者回轉平臺內以激光測距、超聲定位、FRID 等無線定位技術為主要手段。 Fang 等[41]提出使用吊裝空間三維動態建模的方式實現對吊裝環境的實時把控，確保吊裝安全性。 路徑規劃主要根據物體吊裝中障礙物與吊裝空間的特點開展，包括靜態路徑規劃與動態路徑規劃。 路徑規劃的算法研究較早，且方法很多[42]。 依據箭體的吊裝環境，綜合考慮可預見的箭體位形與吊裝空間變化，以靜態路徑規劃為主，同時建立起重機相關數據庫，以虛擬施工場景下的計算機輔助規劃。 防搖擺技術主要依靠控制實現，包括開環和閉環控制。 開環控制方法主要包括基于輸入整形的定位防搖擺控制和基于軌跡規劃的定位防搖擺控制。 實現防搖擺的閉環控制方法有很多，如反饋線性化、增益調度控制、滑模控制、模糊控制、神經網絡控制等方式。 狀態監測與故障診斷技術可有效地遏制故障損失和設備維修費用，對關系到設備運行和安全操作的狀態及參數進行實時檢測，包括電機、制動器、變頻器、電纜卷筒、工況設置等狀態以及載荷、力矩、起升高度、運行行程、回轉角度、風速等參數。

4.2.4 加注連接器自動對接及隨動

從國內外推進劑自動加注與泄回的研究來看，關鍵問題在于箭體隨機晃動下如何確保加注連接器準確對接，且適應箭體運動而保持隨動狀態。 由于箭體的晃動幅度隨著高度的增加而逐漸增大，當前采用自動對接的連接器位置幾乎都是在一級尾部，關于二級以上的推進劑加注的自動對接技術則幾乎沒有成熟的應用。

加注連接器的自動對接應具備可控柔性，即連接器可實時針對箭體的隨機晃動快速調整位姿，在確保對接后，采用主動或者被動隨動的方式保證連接安全可靠。 美國的遠程智能臍帶對接系統與國內酒泉衛星發射中心研制的加注機器人正是基于這樣一種技術路線，利用伺服電機控制運動模塊，實現連接器6 個自由度的變化，而在完成對接后鎖緊，驅動消失，實現被動隨動。 此外，蛇臂式機器人等柔性機器人技術可被引入解決自動對接及隨動的問題，國外FESTO 公司、OC 機器人公司以及國內的新松機器人公司都在柔性機械臂上進行了研發[43－45]，相關技術可借鑒用于加注連接器的自動對接及隨動。

5 小結

本文基于航天發射場運維特點，提出了利用特種機器人及其技術協助或替代工作人員完成相關運維工作，并對涉及的機器人類型及關鍵技術進行了分析。 可以看出，特種機器人及技術的應用將極大地提高發射場系統的信息化與智能化水平，可有效提高工作安全性、可靠性與準確性，成為航天發射場系統的無人值守實現的重要技術手段。