在軌組裝技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

沈曉鳳，曾令斌，靳永強(qiáng)，張慶展

（1.上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海201109；2.中國(guó)航天科技集團(tuán)公司八院空間安全與維護(hù)總體技術(shù)研究中心，上海201109）

在軌組裝技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

沈曉鳳1，2，曾令斌1，靳永強(qiáng)1，2，張慶展1，2

（1.上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海201109；2.中國(guó)航天科技集團(tuán)公司八院空間安全與維護(hù)總體技術(shù)研究中心，上海201109）

介紹了國(guó)內(nèi)外在軌組裝技術(shù)的研究現(xiàn)狀，指出以模塊化可重構(gòu)航天器、大尺寸天線和光學(xué)載荷為典型目標(biāo)的在軌組裝技術(shù)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(shù)工程化應(yīng)用的重點(diǎn)。歸納了在軌組裝的關(guān)鍵技術(shù)，包括結(jié)構(gòu)模塊化及單元設(shè)計(jì)、在軌組裝平臺(tái)設(shè)計(jì)、在軌組裝機(jī)器人以及在軌組裝綜合管理等。針對(duì)我國(guó)的技術(shù)現(xiàn)狀，提出了我國(guó)開展在軌組裝技術(shù)研究所需解決的問(wèn)題和未來(lái)發(fā)展建議：應(yīng)重點(diǎn)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(wèn)題。

在軌組裝；研究現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢(shì)；模塊化

1 引言

受火箭推力、整流罩包絡(luò)及機(jī)構(gòu)復(fù)雜度的影響，當(dāng)前的可展式結(jié)構(gòu)難以滿足未來(lái)深空探測(cè)、天文觀測(cè)、戰(zhàn)略偵察等工程所需的大面積、大跨度空間結(jié)構(gòu)的構(gòu)建要求［1?3］。在軌組裝是將單次／多次入軌的結(jié)構(gòu)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(tǒng)，包括航天器、空間系統(tǒng)或空間結(jié)構(gòu)的在軌連接、替換、構(gòu)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(gòu)，再到大型獨(dú)立艙段的在軌對(duì)接，以及更大規(guī)模的大型空間結(jié)構(gòu)的構(gòu)建［4?6］，具有結(jié)構(gòu)效率高、擴(kuò)展性強(qiáng)、可逐步升級(jí)等特性。

20世紀(jì)70年代末，隨著美國(guó)“天空實(shí)驗(yàn)室”項(xiàng)目的提出［6］，國(guó)際上開始了對(duì)在軌組裝相關(guān)領(lǐng)域的研究，直到90年代，在軌組裝應(yīng)用被限制在航天員艙外活動(dòng)和空間機(jī)械臂組裝上，難以適用于大范圍、高精度、高危險(xiǎn)性的在軌組裝任務(wù)［5］。遙控或自主模式的自由飛行空間機(jī)器人的出現(xiàn)，使在軌組裝可應(yīng)用于更復(fù)雜、大型的空間結(jié)構(gòu)［7?9］。通過(guò)多自主空間機(jī)器人執(zhí)行空間在軌組裝任務(wù)將是未來(lái)構(gòu)建大型空間結(jié)構(gòu)的主要方法［6］，隨著空間機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，在軌組裝技術(shù)將發(fā)揮出更大的潛力。

2 國(guó)外在軌組裝技術(shù)研究現(xiàn)狀與趨勢(shì)

在軌組裝系統(tǒng)由組裝對(duì)象、組裝工具組成，必要時(shí)還需組裝平臺(tái)參與完成任務(wù)。除在軌制造任務(wù)外，在軌組裝服務(wù)對(duì)象規(guī)?？蓜澐譃槿齻€(gè)層次［5］：1）兩個(gè)或多個(gè)獨(dú)立的航天器組裝成規(guī)模更大的空間結(jié)構(gòu)；2）艙段或模塊間的對(duì)接組裝，使之成為一個(gè)獨(dú)立的航天器或?qū)ζ溥M(jìn)行功能擴(kuò)展與重構(gòu)；3）模塊、零部件組裝成新的模塊載荷。結(jié)合在軌組裝技術(shù)的典型應(yīng)用，本文將在軌組裝對(duì)象定位為空間基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái)、功能模塊化可重構(gòu)航天器和空間大型載荷三方面。

2.1大型空間基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái)

國(guó)際空間站是當(dāng)前階段在軌組裝空間基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái)的典型應(yīng)用。至2012年底，歷經(jīng)40多次飛行，國(guó)際空間站的建造已基本完成，自主交會(huì)對(duì)接技術(shù)、載荷更換技術(shù)得到了充分驗(yàn)證［1］。

空間太陽(yáng)能電站作為未來(lái)大型空間基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái)的典型應(yīng)用，主要由太陽(yáng)能發(fā)電裝置、能量轉(zhuǎn)換和發(fā)射裝置、地面接收和轉(zhuǎn)換裝置三大部分組成，概念已提出超過(guò)40年，據(jù)美日多輪研究結(jié)論，在同步軌道布置空間電站發(fā)電量需達(dá)到GW級(jí)才能滿足商業(yè)運(yùn)營(yíng)需要［10?11］，整個(gè)空間電站質(zhì)量將達(dá)萬(wàn)噸，太陽(yáng)電陣面積上千平方米，由于關(guān)鍵技術(shù)還未充分解決，目前該系統(tǒng)仍屬于概念方案設(shè)計(jì)階段［10］，但大尺寸太陽(yáng)翼和天線在軌組裝技術(shù)已基于空間電站項(xiàng)目得到了廣泛研究［12］。

2.2模塊化可重構(gòu)航天器

2007年軌道快車上電源模塊和計(jì)算機(jī)模塊的成功在軌更換［13］，預(yù)示著功能模塊設(shè)計(jì)的在軌成功應(yīng)用，航天器上逐步開始引入可接受服務(wù)設(shè)計(jì)。2010年德宇航中心（DLR）提出面向衛(wèi)星在軌服務(wù)的智能積木iBOSS項(xiàng)目，對(duì)航天器的結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)展開研究，在構(gòu)型上提出了適用于以電子載荷為主的小型衛(wèi)星的“搭積木”模式和適用于多載荷、高精度的大衛(wèi)星的“蜂巢”模式［14］，如圖1所示。

2011年美國(guó)鳳凰計(jì)劃首次提出細(xì)胞化衛(wèi)星技術(shù)，細(xì)胞衛(wèi)星利用細(xì)胞形態(tài)學(xué)理論進(jìn)行模塊衛(wèi)星的設(shè)計(jì)，每一個(gè)“細(xì)胞”為縮小的傳統(tǒng)衛(wèi)星的子系統(tǒng)或組件，如電源、姿態(tài)控制、熱控、推進(jìn)等。多個(gè)“細(xì)胞”衛(wèi)星組合裝配一起構(gòu)成一顆新的模塊衛(wèi)星，利用這種可替換的星體系架構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)模塊化衛(wèi)星的大批量生產(chǎn)、低成本和標(biāo)準(zhǔn)化［15］，如圖2所示。

2015年12月9日，美國(guó)NovaWurks公司研發(fā)的“細(xì)胞星初始任務(wù)驗(yàn)證及經(jīng)驗(yàn)”（SIMPL）試驗(yàn)組件已到達(dá)國(guó)際空間站，包括6個(gè)HISat和兩個(gè)太陽(yáng)能電池陣列，擬在國(guó)際空間站上進(jìn)行整星裝配后獨(dú)立在軌部署，將在2017年中進(jìn)行在軌技術(shù)驗(yàn)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(jī)械臂完成直徑2 m天線的組裝，天線形面精度達(dá)到0.1 mm，這也是國(guó)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(guó)際上第一個(gè)模塊化設(shè)計(jì)的可展開天線，由14個(gè)六邊形模塊（板殼＋桁架結(jié)構(gòu)）組成，有效直徑13 m，形面精度2.4 mm，驗(yàn)證了天線模塊化設(shè)計(jì)的可行性［18?19］。上世紀(jì)70年代，美國(guó)提出多種航天飛機(jī)輔助參與的30～100 m量級(jí)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(biāo)準(zhǔn)面板分批發(fā)射，在星上用空間機(jī)器人進(jìn)行裝配的組裝型天線技術(shù)，針對(duì)不同的天線結(jié)構(gòu)，提出多種模塊化設(shè)計(jì)方案［21?24］，如圖3所示。2015年8月，美國(guó)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(jī)器人實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星大型射頻天線反射器的安裝與重構(gòu)，該項(xiàng)目列入NASA與工業(yè)界合作的臨界點(diǎn)計(jì)劃，以DARPA資助的“蜻蜓”項(xiàng)目為基礎(chǔ)，將開發(fā)地面演示驗(yàn)證的方案［25］。

2）大尺寸光學(xué)載荷

哈勃望遠(yuǎn)鏡自1990年上天后，美國(guó)先后提出了多種新型太空望遠(yuǎn)鏡來(lái)替代哈勃退役后的角色，James Webb望遠(yuǎn)鏡作為新一代的太空望遠(yuǎn)鏡，采用在軌展開的方式，主鏡孔徑可達(dá)6.5 m，預(yù)計(jì)2018年應(yīng)用［26］。此外，美國(guó)還提出多種在軌組裝式的太空望遠(yuǎn)鏡的概念方案，主鏡直徑最大可達(dá)30 m，組裝地點(diǎn)涵蓋空間站平臺(tái)、地月L2點(diǎn)以及日地 L2點(diǎn)，詳見(jiàn)圖 4［3，27?31］。DARPA在 2015?2016年財(cái)務(wù)預(yù)算中持續(xù)支持光學(xué)孔徑空間自組裝項(xiàng)目（OASIS），該項(xiàng)目旨在驗(yàn)證利用較小的模塊化組件在軌組裝成大孔徑光學(xué)設(shè)備的可行性［32?33］。該項(xiàng)目將模塊化部件作為單獨(dú)載荷發(fā)射后，在軌組裝成合成孔徑大于5米的光學(xué)設(shè)備，要求模塊化部件和系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須具備自我測(cè)量和調(diào)整能力。

3）大尺寸桁架

20世紀(jì)70年代，美國(guó)蘭利中心開始研究宇航員對(duì)桁架的在軌組裝，并進(jìn)行了大量的地面微重力試驗(yàn)［4，34?35］。1985年 EASE （Experimental Assembly of Structures in EVA）任務(wù)中美國(guó)航天飛機(jī)成功完成對(duì)空間桁架EASE／ACCESS的組裝操作［3］。在任務(wù)順利結(jié)束之后，NASA提出了BAT（The Beam Assembly Tele?operator）項(xiàng)目，其核心是開發(fā)遙操作自由飛行機(jī)器人Ranger來(lái)替代航天員進(jìn)行組裝，但因?yàn)榉N種原因，機(jī)器人Ranger未上天進(jìn)行驗(yàn)證［35］。

2.4組裝機(jī)器人技術(shù)

隨著對(duì)組裝對(duì)象研究地深入，美國(guó)等航天大國(guó)提出了多種組裝機(jī)器人。滿足在軌組裝需求的機(jī)器人有三種類型，一是固支在艙內(nèi)進(jìn)行艙內(nèi)設(shè)備的組裝；二是附著在機(jī)動(dòng)平臺(tái)上的機(jī)器人；三是空間自主漂浮機(jī)器人。根據(jù)在軌組裝任務(wù)的多樣性和復(fù)雜性，大多工況需要多個(gè)機(jī)械臂進(jìn)行協(xié)同操作，多機(jī)械臂協(xié)同操作方式也有兩種，一是通過(guò)機(jī)器人上配置多個(gè)機(jī)械手和視覺(jué)系統(tǒng)方案；二是多個(gè)獨(dú)立的機(jī)械臂形成組裝機(jī)器人系統(tǒng)，一般可由組裝機(jī)器人、運(yùn)輸機(jī)器人以及傳送系統(tǒng)組成。比較典型的在軌組裝機(jī)器人有空間結(jié)構(gòu)附屬移動(dòng)機(jī)械臂Skyworker，仿人機(jī)器人Robonaut2，可重構(gòu)機(jī)器人以及以 SpiderFab為代表的仿生機(jī)器人［35?40］，如圖5所示。

“建筑師”項(xiàng)目作為NASA在2015年11月為“臨界點(diǎn)”選取的3個(gè)在軌機(jī)器人制造與組裝航天器和結(jié)構(gòu)相關(guān)項(xiàng)目之一，官方名稱為“多功能太空機(jī)器人精密制造與裝配系統(tǒng)”，由太空制造公司負(fù)責(zé)［25］。該項(xiàng)目擬研發(fā)具有3D打印功能的機(jī)械臂，并將其安裝在國(guó)際空間站外，將于2018年演示驗(yàn)證在軌增材制造與裝配大型、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的能力，如圖6所示［41］。

2.5技術(shù)研究趨勢(shì)與小結(jié)

經(jīng)過(guò)多年的概念論證和技術(shù)評(píng)估，各航天大國(guó)逐漸意識(shí)到發(fā)展在軌組裝技術(shù)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(shù)。組裝對(duì)象也由部件級(jí)逐步轉(zhuǎn)向跨尺度、高精度、結(jié)構(gòu)功能一體化的空間設(shè)施，模塊及接口從傳統(tǒng)的“定制型”、“適用型”向通用化、系列化轉(zhuǎn)變，無(wú)人／自主的多臂協(xié)同操作將逐步取代人機(jī)協(xié)同操作，遙操作型組裝機(jī)器人已不再能滿足任務(wù)場(chǎng)景的需求，對(duì)其提出自認(rèn)知、自學(xué)習(xí)、精細(xì)操作及大范圍移動(dòng)能力的要求。

1）航天員直接參與的大型結(jié)構(gòu)在軌組裝路徑不可行

美國(guó)在上世紀(jì)八十年代利用航天飛機(jī)開展了多次航天員組裝桁架的飛行驗(yàn)證，結(jié)果表明：受航天員生理、心理因素制約而難以進(jìn)行由成百上千個(gè)模塊拼接而成的大型結(jié)構(gòu)的組裝［6］。之后NASA持續(xù)資助機(jī)器人在軌組裝技術(shù)的研究與試驗(yàn)。

2）在軌組裝領(lǐng)域具有巨大的商業(yè)航天應(yīng)用潛力

2015年11月，NASA基于臨界點(diǎn)計(jì)劃選擇3家企業(yè)開展航天器與空間設(shè)施的機(jī)器人太空制造與組裝研發(fā)方向技術(shù)合同合作［25］，預(yù)計(jì)將相關(guān)成熟度提升至臨界點(diǎn)以上，在利于實(shí)現(xiàn)NASA戰(zhàn)略目標(biāo)的同時(shí)，刺激在軌組裝商業(yè)航天市場(chǎng)需求。

3）大尺寸天線、光學(xué)載荷和可組裝航天器是近年在軌組裝領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)

美國(guó)的細(xì)胞化衛(wèi)星技術(shù)與德國(guó)的面向衛(wèi)星在軌服務(wù)的智能積木項(xiàng)目帶動(dòng)了可組裝可重構(gòu)航天器技術(shù)的發(fā)展，并于2017年將進(jìn)行相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的在軌驗(yàn)證［14?16］；2015年起，美國(guó) DARPA 和NASA同步將目光投向天線和光學(xué)載荷這類空間大型載荷在軌組裝技術(shù)研究，并簽訂了多份研制合同［25，32?33］。

4）大型結(jié)構(gòu)在軌組裝尚未實(shí)現(xiàn)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(biāo)零部件；另一方面在軌組裝需要集移動(dòng)?定位功能于一體的高精度、高剛度精細(xì)操作機(jī)器人，當(dāng)前在軌及地面的各種機(jī)器人難以滿足需求，導(dǎo)致當(dāng)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(shù)實(shí)用化的技術(shù)途徑不明朗

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

3 國(guó)內(nèi)在軌組裝技術(shù)研究現(xiàn)狀與趨勢(shì)

3.1國(guó)內(nèi)在軌組裝技術(shù)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)在軌組裝技術(shù)研究起步較晚，隨著“十二五”期間在軌服務(wù)理念的推廣，在軌組裝技術(shù)也日益受到重視，基于模塊更換的空間機(jī)械臂技術(shù)得到發(fā)展。哈爾濱工業(yè)大學(xué)劉宏團(tuán)隊(duì)開展了多臂協(xié)同抓捕、空間遙操作、末端效應(yīng)器以及靈巧手等研究［42?44］，崔乃剛、郭繼峰團(tuán)隊(duì)利用連接矩陣與分層規(guī)劃的思想，實(shí)現(xiàn)了空間桁架結(jié)構(gòu)的組裝序列［45?46］，相關(guān)研究成果可直接支撐在軌組裝技術(shù)。在空間大型載荷研究方面，哈爾濱工業(yè)大學(xué)劉兆晶、田大可、劉榮強(qiáng)等開展模塊化可展開拋物面天線支撐機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，提出等肋長(zhǎng)法和空間圓包絡(luò)法［47?48］，浙江大學(xué)的關(guān)富玲對(duì)空間模塊化的可伸展結(jié)構(gòu)開展設(shè)計(jì)研究［49］，西安電子科技大學(xué)、中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院的李團(tuán)結(jié)、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(shè)計(jì)研究方面，西北工業(yè)大學(xué)黃攀峰等對(duì)鳳凰計(jì)劃和iBOSS項(xiàng)目進(jìn)行深入剖析，提出面向在軌服務(wù)的可重構(gòu)細(xì)胞衛(wèi)星關(guān)鍵技術(shù)［51］，劉更團(tuán)隊(duì)等對(duì)各階段航天器結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究［52?53］，國(guó)防科技大學(xué)提出模塊化小衛(wèi)星自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)構(gòu)建方案［54］；在大型空間基礎(chǔ)設(shè)施方面，北京航空航天大學(xué)與中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院利用重型運(yùn)載火箭對(duì)LEO和GEO空間太陽(yáng)能電站的在軌組裝發(fā)射模式進(jìn)行論證［55］。另外，北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所的王奇、陳金明對(duì)大型空間結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及在軌組裝的地面模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了相關(guān)研究，為我國(guó)即將展開的空間在軌組裝技術(shù)提供了一定的理論基礎(chǔ)。綜上，我國(guó)在軌組裝技術(shù)研究現(xiàn)狀主要如下：

1）以空間站為主體的艙段對(duì)接和模塊更換技術(shù)得到深入研究

依托我國(guó)空間站建設(shè)，國(guó)內(nèi)多家單位對(duì)空間在軌組裝與維護(hù)技術(shù)開展了相關(guān)研究，主要集中于空間交會(huì)對(duì)接試驗(yàn)、在軌模塊組件更換、在軌釋放與發(fā)射、可重構(gòu)空間服務(wù)平臺(tái)等技術(shù)，取得了一定的成果，并在工程實(shí)踐中有所突破，為我國(guó)即將組建的空間站天空一號(hào)打下堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

2）關(guān)鍵技術(shù)跟蹤性研究居多，系統(tǒng)性研究較少

哈爾濱工業(yè)大學(xué)在在軌裝配任務(wù)規(guī)劃方面作了深入研究［4，45?46］；浙江大學(xué)［49］、西安電子科技大學(xué)［50］、西北工業(yè)大學(xué)［51?53］、國(guó)防科技大學(xué)［54］等在模塊單元?jiǎng)澐旨霸O(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)在軌組裝系統(tǒng)性研究［55］。當(dāng)前國(guó)內(nèi)在軌組裝技術(shù)領(lǐng)域現(xiàn)有研究成果成熟度較低，離工程化實(shí)施距離大。

3）在軌組裝相關(guān)的原創(chuàng)性方法及思路少見(jiàn)

文獻(xiàn)可查的國(guó)內(nèi)在軌組裝技術(shù)研究大都是在國(guó)外研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行跟蹤與深化，暫未提出解決當(dāng)前在軌組裝工程化面臨瓶頸問(wèn)題的方法及思路。

3.2國(guó)內(nèi)在軌組裝系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)與啟示

在軌組裝將成為構(gòu)建新一代更高尺寸及精度空間結(jié)構(gòu)的使能技術(shù)。在軌組裝技術(shù)的成熟直接影響對(duì)地成像、偵查預(yù)警及天文觀測(cè)等領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展，大力發(fā)展在軌組裝技術(shù)是未來(lái)航天領(lǐng)域發(fā)展的潛在共識(shí)。

從上世紀(jì)70年代開始，在軌組裝技術(shù)歷經(jīng)40多年的發(fā)展，因模塊及接口難以通用化、組裝效率低、成本高等問(wèn)題仍未實(shí)現(xiàn)工程化［26］。當(dāng)前大型結(jié)構(gòu)在軌組裝的需求日益迫切，國(guó)內(nèi)工程總體單位正牽引高校及專業(yè)研究所開展系統(tǒng)性、集群式在軌組裝技術(shù)研究，國(guó)內(nèi)在軌組裝技術(shù)想要實(shí)現(xiàn)“彎道超車”，需重點(diǎn)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(cè)量以及組裝動(dòng)力學(xué)與控制等在軌組裝技術(shù)工程實(shí)用化的瓶頸問(wèn)題。

4 在軌組裝關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)

在軌組裝技術(shù)作為未來(lái)航天器構(gòu)建的基礎(chǔ)共性技術(shù)，應(yīng)提前進(jìn)行技術(shù)儲(chǔ)備和攻關(guān)。不論從國(guó)內(nèi)還是國(guó)外來(lái)看，在軌組裝技術(shù)要走向?qū)嵱眠€有很長(zhǎng)的路。在軌組裝急需解決的技術(shù)主要有以下四個(gè)方面：結(jié)構(gòu)模塊化及單元設(shè)計(jì)技術(shù)、在軌組裝平臺(tái)設(shè)計(jì)技術(shù)、在軌組裝機(jī)器人技術(shù)以及在軌組裝綜合管理技術(shù)，如圖7所示。

4.1結(jié)構(gòu)模塊化及單元設(shè)計(jì)技術(shù)

在軌組裝的前提是將結(jié)構(gòu)整體“化整為零”為優(yōu)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(wèn)題是實(shí)現(xiàn)在軌組裝技術(shù)工程化應(yīng)用轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵，針對(duì)上述對(duì)象開展結(jié)構(gòu)模塊化及單元設(shè)計(jì)可分解為四項(xiàng)研究?jī)?nèi)容：

1）模塊化空間設(shè)施系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)。將航天器整體分解、優(yōu)化為若干相對(duì)獨(dú)立的功能單元，解決功能單元之間的耦合、簡(jiǎn)化問(wèn)題。

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

3）模塊單元構(gòu)型設(shè)計(jì)與優(yōu)化技術(shù)。將通用化的網(wǎng)格單元具體設(shè)計(jì)為系列化、標(biāo)準(zhǔn)化的模塊單元，解決模塊單元的構(gòu)型優(yōu)化與標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題。

4）具備快速導(dǎo)通能力的接口技術(shù)。將功能模塊、結(jié)構(gòu)模塊之間的連接接口設(shè)計(jì)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(dǎo)通問(wèn)題，大容差與易操作是接口設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，除傳統(tǒng)的機(jī)械連接接口外，電子束焊和復(fù)合材料的連接方式是現(xiàn)在研究的熱點(diǎn)［26，39，57］。

4.2在軌組裝平臺(tái)設(shè)計(jì)技術(shù)

組裝平臺(tái)的構(gòu)型布局將影響其任務(wù)能力，大型設(shè)施在組裝過(guò)程中存在精度校核、耦合振動(dòng)等問(wèn)題，傳統(tǒng)的平臺(tái)設(shè)計(jì)理論已不再適用，上述問(wèn)題對(duì)未來(lái)在軌組裝平臺(tái)提出了實(shí)時(shí)測(cè)量和控制等要求。

1）在軌組裝平臺(tái)總體布局與設(shè)計(jì)技術(shù)。在軌組裝平臺(tái)功能配置、總體布局與優(yōu)化，解決復(fù)雜約束條件下在軌組裝平臺(tái)功能、性能全局優(yōu)化問(wèn)題。

2）在軌組裝全局／局部測(cè)量技術(shù)。復(fù)雜空間環(huán)境中在軌組裝、運(yùn)行過(guò)程系統(tǒng)全局和局域的高精度、高頻率測(cè)量，解決測(cè)量的高精度和實(shí)時(shí)性問(wèn)題。

3）在軌組裝過(guò)程動(dòng)力學(xué)與控制技術(shù)。組裝過(guò)程模塊傳遞、連接、整器姿態(tài)轉(zhuǎn)換等引起的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的識(shí)別與控制，解決組裝平臺(tái)動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定問(wèn)題。

4）空間環(huán)境影響機(jī)制及控制研究。在軌組裝材料、運(yùn)動(dòng)副等在微重力、強(qiáng)輻射、原子氧和大溫差環(huán)境中性能退化及控制機(jī)理研究，解決組裝結(jié)構(gòu)長(zhǎng)壽命與可靠性等問(wèn)題。

4.3在軌組裝機(jī)器人技術(shù)

近幾年來(lái)，空間機(jī)器人在在軌服務(wù)技術(shù)的帶動(dòng)下發(fā)展迅速，隨著在軌組裝技術(shù)的興起，空間機(jī)器人將逐步向具備自認(rèn)知、自學(xué)習(xí)、精細(xì)操作及大范圍移動(dòng)能力方向發(fā)展，其研究可分解為四項(xiàng)研究?jī)?nèi)容：

1）機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)。解決機(jī)器人在不同組裝任務(wù)、環(huán)境要求下的機(jī)構(gòu)構(gòu)型綜合、實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)等問(wèn)題。

2）系列化末端操作工具技術(shù)。組裝機(jī)器人模塊多種執(zhí)行末端／工具的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，解決機(jī)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(biāo)識(shí)別與定位。解決組裝過(guò)程中合作目標(biāo)及非合作目標(biāo)的精確測(cè)量及識(shí)別問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人多傳感器數(shù)據(jù)的融合使用及自主感知。

4）機(jī)器人協(xié)同操作與控制技術(shù)。解決機(jī)器人多臂協(xié)同操作時(shí)運(yùn)動(dòng)和力協(xié)調(diào)的問(wèn)題，解決多個(gè)機(jī)器人協(xié)同作業(yè)時(shí)任務(wù)、運(yùn)動(dòng)、力協(xié)調(diào)問(wèn)題。

4.4在軌組裝綜合管理技術(shù)

在軌組裝綜合管理技術(shù)主要用于前期規(guī)劃和任務(wù)仿真、精度保持、以及后期性能評(píng)估和健康管理，其研究可分解為四項(xiàng)研究?jī)?nèi)容：

1）組裝序列與路徑規(guī)劃技術(shù)?；诳臻g拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的模塊組裝序列規(guī)劃及運(yùn)行軌跡優(yōu)化，解決以總體精度和效率等為目標(biāo)的序列路徑規(guī)劃問(wèn)題。

2）在軌組裝任務(wù)仿真與優(yōu)化技術(shù)。針對(duì)典型任務(wù)組裝的系統(tǒng)仿真與優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)并解決組裝任務(wù)設(shè)計(jì)中的矛盾沖突、流程優(yōu)化問(wèn)題。

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

4）組裝對(duì)象性能評(píng)估與健康管理。以精度、剛度、效率和成本等為目標(biāo)構(gòu)建組裝性能評(píng)估和健康管理體系，解決組裝對(duì)象綜合評(píng)估與健康管理問(wèn)題。

實(shí)現(xiàn)在軌組裝技術(shù)工程化，需逐步突破結(jié)構(gòu)模塊化及單元設(shè)計(jì)、組裝平臺(tái)設(shè)計(jì)、組裝機(jī)器人設(shè)計(jì)和組裝綜合管理等方面的關(guān)鍵技術(shù)，其中模塊單元及連接組件的通用化、組裝機(jī)器人設(shè)計(jì)與協(xié)同操控、組裝過(guò)程動(dòng)力學(xué)與控制等技術(shù)是在軌組裝專有核心技術(shù)，直接關(guān)系到在軌組裝系統(tǒng)的成本、效率和可靠性，需要優(yōu)先突破。

5 結(jié)論

在軌組裝技術(shù)是未來(lái)大型空間結(jié)構(gòu)建造的使能技術(shù)，目前，國(guó)際上已開展多個(gè)針對(duì)大型天線、光學(xué)載荷以及模塊化航天器的在軌組裝技術(shù)研究，但大多數(shù)停留在局部關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和概念設(shè)計(jì)上。未來(lái)在軌組裝技術(shù)實(shí)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(cè)量以及組裝動(dòng)力學(xué)與控制等關(guān)鍵技術(shù)，開展地面和在軌組裝演示驗(yàn)證。

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（責(zé)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(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目（51505295）

沈曉鳳，女，碩士，工程師，研究方向?yàn)楹教炱髟谲壏?wù)總體技術(shù)。E?mail：xfshen1986＠126.com