特種機(jī)器人及技術(shù)在航天發(fā)射場(chǎng)的應(yīng)用研究

王曉明， 劉占卿， 滕 飛， 侯科文

(北京特種工程設(shè)計(jì)研究院， 北京 100028)

1 引言

航天發(fā)射場(chǎng)系統(tǒng)是由為航天器和運(yùn)載器進(jìn)行裝配、測(cè)試、轉(zhuǎn)運(yùn)、加注等發(fā)射前準(zhǔn)備與實(shí)施發(fā)射控制而建造的一系列功能相關(guān)的地面設(shè)施、設(shè)備所組成的綜合體，是航天發(fā)射、空間應(yīng)用與深空探索的關(guān)鍵起點(diǎn)與重要支撐[1]。 航天發(fā)射場(chǎng)系統(tǒng)涉及多個(gè)專業(yè)與學(xué)科，涵蓋大量通用/專用技術(shù)設(shè)備，相應(yīng)的操作與運(yùn)維種類繁多，工作量大、重復(fù)性強(qiáng)、危險(xiǎn)性高、人員密集。 目前，發(fā)射場(chǎng)系統(tǒng)從產(chǎn)品進(jìn)場(chǎng)、測(cè)試、轉(zhuǎn)運(yùn)直至進(jìn)入發(fā)射流程的工作以及日常地面設(shè)施設(shè)備的運(yùn)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(fā)射場(chǎng)無(wú)人值守的實(shí)現(xiàn)[2]。

當(dāng)前，世界航天強(qiáng)國(guó)對(duì)發(fā)射場(chǎng)的建設(shè)與運(yùn)維均提出了信息化與智能化的要求。 NASA 在其發(fā)布的2020 版NASA 技術(shù)路線圖中明確指出發(fā)射場(chǎng)智能化建設(shè)需求，并著重提出機(jī)器人技術(shù)在航天發(fā)射場(chǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用場(chǎng)景[3]。 國(guó)內(nèi)肖力田等[4]提出了智能化發(fā)射場(chǎng)的概念，也指出了機(jī)器人及技術(shù)在航天發(fā)射場(chǎng)中的重要作用。

特種機(jī)器人是一類面向非制造業(yè)的先進(jìn)機(jī)器人，可根據(jù)特定需求協(xié)助或替代人類完成危險(xiǎn)性高、重復(fù)性強(qiáng)等類型的工作，成本更低，危險(xiǎn)性更低，效率更高[5]。 相比于工業(yè)機(jī)器人，特種機(jī)器人的種類更多、功能更強(qiáng)，具有復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)能力、環(huán)境感知能力及自主運(yùn)動(dòng)與決策能力。 特種機(jī)器人具有多種類型，如探月/火無(wú)人車、空間機(jī)械臂、無(wú)人飛行器、水下機(jī)器人、巡檢機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人、采摘機(jī)器人、安防機(jī)器人等，廣泛應(yīng)用于航天航空、科學(xué)探索、醫(yī)療健康、工業(yè)農(nóng)業(yè)、生活?yuàn)蕵?lè)等多個(gè)領(lǐng)域[6]。

本文從航天發(fā)射場(chǎng)運(yùn)行與維護(hù)特點(diǎn)出發(fā)，結(jié)合國(guó)內(nèi)外航天領(lǐng)域特種機(jī)器人的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀，分析面向發(fā)射場(chǎng)的特種機(jī)器人及其關(guān)鍵技術(shù)。

2 航天發(fā)射場(chǎng)運(yùn)維特點(diǎn)

航天發(fā)射場(chǎng)系統(tǒng)的運(yùn)維具有典型的4D[7－8]特點(diǎn):索然無(wú)味(Dull)、不能接觸(Dirty)、非常困難(Difficult)以及十分危險(xiǎn)(Dangerous)，如圖1所示。

圖1 航天發(fā)射場(chǎng)運(yùn)維工作Fig.1 Operations and inspections in launch site

1)工作環(huán)境危險(xiǎn)性高，特種作業(yè)集中。 航天發(fā)射場(chǎng)涉及的大部分工作內(nèi)容均為高危特種作業(yè)，如高空作業(yè)、防爆檢測(cè)、壓力容器作業(yè)、危險(xiǎn)化學(xué)品作業(yè)等。

2)運(yùn)維保障工作龐雜，內(nèi)容枯燥重復(fù)。 航天發(fā)射場(chǎng)系統(tǒng)涉及了大量的設(shè)施設(shè)備、管線管路，日常巡檢維護(hù)工作量大、重復(fù)性高，耗時(shí)費(fèi)力。

3)設(shè)施設(shè)備超高超大，檢測(cè)維護(hù)困難。 發(fā)射場(chǎng)特殊的工作環(huán)境要求，設(shè)施超高、超大，導(dǎo)致安全檢查與應(yīng)急維修困難。

3 特種機(jī)器人在發(fā)射場(chǎng)的應(yīng)用

特種機(jī)器人主要由三大系統(tǒng)組成:運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、功能系統(tǒng)與人機(jī)交互系統(tǒng)，如圖2 所示。 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)特種機(jī)器人空間移動(dòng)的關(guān)鍵部分，主要由機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成，可實(shí)現(xiàn)軌道運(yùn)行、空間飛行、攀爬行走、腿/輪/履行走、水下推進(jìn)等多種運(yùn)動(dòng)方式[9]；功能系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)特種機(jī)器人目標(biāo)功能的關(guān)鍵部分，可利用傳感感知系統(tǒng)，對(duì)環(huán)境進(jìn)行綜合、全面、多層次的立體感知，并進(jìn)一步通過(guò)執(zhí)行器完成特定作業(yè)等其他功能；人機(jī)交互系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)處理能力，對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行記憶存儲(chǔ)、累積分析、預(yù)測(cè)研判，建立參考與依據(jù)，通過(guò)決策系統(tǒng)開(kāi)展下一步工作。

圖2 特種機(jī)器人系統(tǒng)組成Fig.2 System composition of special robots

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

在航天發(fā)射場(chǎng)系統(tǒng)中，國(guó)內(nèi)外關(guān)于特種機(jī)器人的應(yīng)用及研究較少。 其研究?jī)?nèi)容及成果集中在基于機(jī)器人技術(shù)的推進(jìn)劑加注的自動(dòng)對(duì)接與脫落技術(shù)。

推進(jìn)劑加注是火箭發(fā)射前的重要環(huán)節(jié)。 加泄連接器的對(duì)接與脫離既是加注中的高危險(xiǎn)環(huán)節(jié)，又是實(shí)現(xiàn)加注過(guò)程自動(dòng)化需解決的首要問(wèn)題。 運(yùn)載火箭應(yīng)用較多的推進(jìn)劑包括肼類、氮氧化物等常溫推進(jìn)劑與液氫、液氧等低溫推進(jìn)劑[15]，危險(xiǎn)性極高。

自動(dòng)對(duì)接技術(shù)是一項(xiàng)涉及火箭結(jié)構(gòu)、動(dòng)力系統(tǒng)、加注系統(tǒng)、連接器等多系統(tǒng)、多學(xué)科高度集成的技術(shù)。 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(chǎn)生的晃動(dòng)量也逐漸增加，因此自動(dòng)對(duì)接技術(shù)需要具備動(dòng)態(tài)測(cè)量、跟蹤、隨動(dòng)等能力，在動(dòng)態(tài)對(duì)接、隨動(dòng)過(guò)程中又涉及到對(duì)接載荷控制、機(jī)構(gòu)可靠性等問(wèn)題，技術(shù)難度大幅增加[16]。 俄羅斯(蘇聯(lián))、美國(guó)、法國(guó)、日本等國(guó)都積極研制應(yīng)用于推進(jìn)劑加注環(huán)境的對(duì)接與脫離自動(dòng)化技術(shù)，并得到成功應(yīng)用。

俄羅斯(蘇聯(lián))最早開(kāi)始研究自動(dòng)對(duì)接技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)載火箭加注連接與脫落的無(wú)人值守，如天頂號(hào)和聯(lián)盟號(hào)。 以天頂號(hào)為例，該火箭內(nèi)部設(shè)計(jì)了通長(zhǎng)的加注管路，使火箭二級(jí)、三級(jí)連同一級(jí)推進(jìn)劑加注口集中在一級(jí)尾端[16]，加注口位置晃動(dòng)很小。 因此，天頂號(hào)火箭的自動(dòng)對(duì)接采用了剛性對(duì)接技術(shù)，其自動(dòng)對(duì)接系統(tǒng)包括機(jī)械本體、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、跟蹤定位機(jī)構(gòu)、氣動(dòng)系統(tǒng)、觸覺(jué)裝置等，這些裝置及導(dǎo)向管裝在滑軌式底座上。 連接過(guò)程與脫離過(guò)程由發(fā)射設(shè)備遙控系統(tǒng)的中央控制臺(tái)控制實(shí)現(xiàn)[17－18]。 圖3 為天頂號(hào)火箭的自動(dòng)對(duì)接機(jī)構(gòu)。

圖3 天頂號(hào)火箭的自動(dòng)對(duì)接機(jī)構(gòu)[17－18]Fig.3 Connector automatic docking mechanism of Zenit[17－18]

美國(guó)在運(yùn)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(dòng)對(duì)接技術(shù)，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(yīng)用需求，美國(guó)又開(kāi)展了遠(yuǎn)程智能臍帶系統(tǒng)、自動(dòng)化地面臍帶系統(tǒng)等研究，其研究成果可同時(shí)用于地面無(wú)人加注。 遠(yuǎn)程智能臍帶系統(tǒng)是肯尼迪航天中心與Rohwedder 公司合作開(kāi)發(fā)，樣機(jī)于2002 年交付給NASA，如圖4 右圖所示。 對(duì)接系統(tǒng)在托盤(pán)處設(shè)置傳感器探頭，可實(shí)時(shí)檢測(cè)箭體在風(fēng)載下的晃動(dòng)情況，數(shù)據(jù)傳遞給遠(yuǎn)程控制中心，通過(guò)高精度伺服電機(jī)完成連接器位置的調(diào)整，保持與箭體相對(duì)固定。該系統(tǒng)應(yīng)用于美國(guó)下一代運(yùn)載火箭，可以在任何時(shí)刻完成與箭體的對(duì)接、分離與再對(duì)接[19]。

圖4 美國(guó)火箭的自動(dòng)對(duì)接機(jī)構(gòu)[19]Fig.4 Connector automatic docking mechanism of USA[19]

在法國(guó)庫(kù)魯發(fā)射場(chǎng)總裝測(cè)試廠房?jī)?nèi)，阿里安V 火箭上面級(jí)氫氧加注連接器是通過(guò)2 組臍帶機(jī)械臂完成自動(dòng)對(duì)接的，該連接器隨著機(jī)械臂在發(fā)射前約4 s 時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)脫落[20]，如圖5 所示。

圖5 法國(guó)機(jī)械臂式自動(dòng)對(duì)接機(jī)構(gòu)[20]Fig.5 Connector automatic docking mechanism of mechanical arm of France[20]

日本H-IIA 火箭一級(jí)加注連接器采取底部垂直自動(dòng)對(duì)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(duì)接功能[16，21]，二級(jí)加注連接器于總裝測(cè)試廠房?jī)?nèi)人工對(duì)接，發(fā)射時(shí)零秒脫落。

目前，中國(guó)運(yùn)載火箭推進(jìn)劑加注過(guò)程中加泄連接器與箭體活門(mén)的對(duì)接與撤收工作仍采用人工方式完成。 隨著新一代運(yùn)載火箭的研制與應(yīng)用以及機(jī)器人技術(shù)的不斷進(jìn)步，北京航天發(fā)射技術(shù)研究所自2001 年起即開(kāi)展了相關(guān)技術(shù)的研究，在八五期間完成了低溫推進(jìn)劑火箭臍帶自動(dòng)跟蹤對(duì)接機(jī)器人原理樣機(jī)的研制；2020 年8 月完成了運(yùn)載火箭無(wú)人值守加注及測(cè)試發(fā)射技術(shù)驗(yàn)證試驗(yàn)，成功利用視覺(jué)單元系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)加注機(jī)構(gòu)的自動(dòng)對(duì)接與鎖緊。

酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心聯(lián)合上海交大設(shè)計(jì)研制了一種能夠與火箭加注口自動(dòng)對(duì)接與撤離的機(jī)器人，如圖6 所示。 該機(jī)器人利用SCARA 機(jī)械臂配合激光雷達(dá)定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定位與跟蹤。 柔順對(duì)接與撤收機(jī)構(gòu)為機(jī)器人與火箭對(duì)接的機(jī)械載體，當(dāng)火箭晃動(dòng)時(shí)，能夠避免機(jī)器人的剛性結(jié)構(gòu)對(duì)火箭的沖擊[22－23]。

圖6 酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心研制的加注機(jī)器人[22]Fig.6 Propellant loading robot designed by JSLC[22]

4 面向發(fā)射場(chǎng)的特種機(jī)器人及其關(guān)鍵技術(shù)

4.1 特種機(jī)器人的應(yīng)用類型

特種機(jī)器人及技術(shù)所涉及的領(lǐng)域較為廣泛，本文基于發(fā)射場(chǎng)的運(yùn)維特點(diǎn)與無(wú)人值守的功能需求，將特種機(jī)器人分為3 類。

1)巡檢類機(jī)器人。 主要適用于巡檢工作量大、環(huán)境復(fù)雜惡劣、甚至具有危險(xiǎn)性的場(chǎng)合。 在航天發(fā)射場(chǎng)系統(tǒng)中存在大量的設(shè)備控制房間、高/低壓配電房間、消防泵間、推進(jìn)劑加注庫(kù)房，在室外還布置有長(zhǎng)距離的各種外線，包含控制、電氣、液壓、暖通、消防等。 根據(jù)作業(yè)環(huán)境，巡檢類機(jī)器人可完成常規(guī)環(huán)境/常規(guī)設(shè)備巡檢工作與特殊環(huán)境/特種設(shè)備巡檢類工作，在有防爆要求的環(huán)境下，采用離線與非接觸方式，利用自身攜帶的傳感設(shè)備，完成視頻采集、圖像與音頻采集、溫濕度采集、煙霧濃度報(bào)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(jī)器人已經(jīng)較為廣泛應(yīng)用于民用特種行業(yè)，如核電站、變電站、配電室、開(kāi)關(guān)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(xiǎn)環(huán)境[27－29]。 圖7 為典型的巡檢機(jī)器人。

圖7 巡檢機(jī)器人Fig.7 Inspection robots

2)維護(hù)類機(jī)器人。 主要用于不具備可達(dá)性或者難以達(dá)到的、環(huán)境復(fù)雜、危險(xiǎn)性高場(chǎng)合的維修與維護(hù)工作。 航天發(fā)射場(chǎng)系統(tǒng)中的非標(biāo)準(zhǔn)建筑、設(shè)施設(shè)備均具有超高、超大的特征，如發(fā)射塔架、總裝測(cè)試廠房及相應(yīng)設(shè)備，部分設(shè)備維護(hù)難度較大，如回轉(zhuǎn)設(shè)備的狀態(tài)檢測(cè)與潤(rùn)滑、推進(jìn)劑儲(chǔ)罐的表面檢測(cè)與涂裝、高層封閉板尾焰吹掃破損后修復(fù)、鋼構(gòu)金屬表面的除銹防腐等。 維護(hù)類機(jī)器人應(yīng)具備空間的可達(dá)性，并具備視頻、圖像、音頻與紅外采集功能，攜帶機(jī)械臂等特定設(shè)備，以自行或者遙控方式安全可靠工作。 相比于巡檢類機(jī)器人，維護(hù)類機(jī)器人功能要求更高，并具備問(wèn)題處理能力，因此研制難度更大，應(yīng)用也相對(duì)較少。 目前，維護(hù)類機(jī)器人(如爬壁機(jī)器人、管道機(jī)器人)主要應(yīng)用于船舶表面與壓力容器表面處理、特殊管路的內(nèi)部清洗等場(chǎng)合[30－32]，如圖8 所示。

圖8 爬壁機(jī)器人與管道機(jī)器人Fig.8 Crawling robot and pipe robot

3)特種操作類機(jī)器人。 主要用于環(huán)境惡劣、危險(xiǎn)條件下的特種操作活動(dòng)，如推進(jìn)劑加注/泄回、航天器的吊裝對(duì)接及航天器與箭體返回殘骸的搜索等。 目前，特種操作類機(jī)器人主要為推進(jìn)劑加注/泄回相關(guān)的機(jī)器人。 此外，塔式起重機(jī)與室內(nèi)移動(dòng)式起重機(jī)也屬于應(yīng)用于航天發(fā)射場(chǎng)的特種操作類機(jī)器人。

4.2 關(guān)鍵技術(shù)

為了降低人員危險(xiǎn)性與操作困難度，需要增強(qiáng)特種機(jī)器人及其搭載設(shè)備的工作能力，包括腐蝕高效無(wú)損檢測(cè)、低溫泄露安全監(jiān)測(cè)、航天器智能吊裝、加注連接器自動(dòng)對(duì)接等。

4.2.1 針對(duì)腐蝕的高效無(wú)損檢測(cè)

設(shè)備腐蝕檢測(cè)是發(fā)射場(chǎng)巡檢工作的重要內(nèi)容，尤其是濱海發(fā)射場(chǎng)常年經(jīng)歷高濕度與高鹽霧，檢測(cè)的對(duì)象主要包括各種輸送管道、鋼結(jié)構(gòu)、機(jī)械/控制設(shè)備等，檢測(cè)方式依賴于人工目測(cè)檢查，缺乏判別標(biāo)準(zhǔn)，依賴于人員經(jīng)驗(yàn)，效率較低且準(zhǔn)確性較差。 腐蝕的檢測(cè)可以通過(guò)無(wú)損檢測(cè)＋圖像識(shí)別的方式完成，即通過(guò)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的腐蝕現(xiàn)象、特征快速采集，利用計(jì)算機(jī)圖像識(shí)別和處理能力判別腐蝕程度。

當(dāng)前，針對(duì)腐蝕的非接觸式無(wú)損檢測(cè)手段很多，主要有射線探傷、紅外成像技術(shù)、磁粉檢測(cè)技術(shù)、超聲檢測(cè)技術(shù)、射線照相技術(shù)、渦流法檢測(cè)技術(shù)與聲發(fā)射技術(shù)等。 其中，紅外線熱成像技術(shù)是基于物體在常規(guī)環(huán)境下根據(jù)其自身的分子和原子運(yùn)動(dòng)的劇烈程度的強(qiáng)弱而向外輻射不同程度的熱紅外量，通過(guò)這些熱紅外量來(lái)判斷腐蝕情況。 超聲波檢測(cè)技術(shù)利用了超聲波對(duì)不同狀態(tài)的材料，其聲波反射情況和穿透情況具有不同的特征表現(xiàn)，超聲波在穿透物體的同時(shí)，也會(huì)發(fā)生聲波的折射和反射等現(xiàn)象，將這些聲波信息收集起來(lái)借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理，能夠得到設(shè)備的全面信息[33－35]。

結(jié)合發(fā)射場(chǎng)的設(shè)備特點(diǎn)與環(huán)境特點(diǎn)，紅外成像技術(shù)與超聲檢測(cè)技術(shù)易于搭載于機(jī)器人上，現(xiàn)場(chǎng)處理更加快捷，靈敏度更高，安全準(zhǔn)確。 后端可利用圖像識(shí)別腐蝕特征[36]，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等智能計(jì)算方法引入到圖像處理當(dāng)中，基于腐蝕特征、面積與位置建立腐蝕變化的時(shí)歷圖，以判斷腐蝕程度及發(fā)展趨勢(shì)，為設(shè)備表面防腐防鹽霧處理提供參考依據(jù)。

4.2.2 低溫推進(jìn)劑泄漏安全監(jiān)測(cè)

低溫推進(jìn)劑的泄漏檢測(cè)較為特殊。 以氫氣為代表的低溫燃料沸點(diǎn)極低，遇空氣很快氣化并結(jié)霜，產(chǎn)生的泄漏微弱不易察覺(jué)。 普通的檢測(cè)手段無(wú)法實(shí)時(shí)獲取相應(yīng)特征及現(xiàn)象。 當(dāng)氫氣泄漏濃度達(dá)到4%～74.2%時(shí)，空氣將變得易燃易爆，極易引發(fā)安全事故。 因此低溫推進(jìn)劑的泄漏監(jiān)測(cè)十分重要。

氫不僅是航天領(lǐng)域的重要推進(jìn)劑，同時(shí)也因其獨(dú)特的導(dǎo)熱特性而在高功率發(fā)電機(jī)的冷卻中得到應(yīng)用，如核電站千兆瓦級(jí)汽輪發(fā)電機(jī)[37]。 因此，氫泄漏的檢測(cè)也成為發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。 氫傳感器主要包括鈀柵氫敏傳感器、催化燃燒傳感器、熱導(dǎo)式傳感器、電化學(xué)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(zhì)、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(xué)品腐蝕，在測(cè)試敏感點(diǎn)無(wú)需使用電源，避免引起火花，并可抵抗電磁干擾。2001 年美國(guó)智能光學(xué)系統(tǒng)公司(IOS)開(kāi)發(fā)的運(yùn)載火箭光纖氫泄漏檢測(cè)系統(tǒng)在Delta-IV 火箭靜態(tài)點(diǎn)火中得到試驗(yàn)驗(yàn)證。 該系統(tǒng)采用多點(diǎn)光纖傳感器系統(tǒng)，有效解決了火箭內(nèi)部/外部氫泄漏的實(shí)時(shí)檢測(cè)問(wèn)題，適用于火箭及推進(jìn)劑加注系統(tǒng)中低溫貯箱、推進(jìn)劑管線的氫泄漏檢測(cè)。 俄羅斯托木斯克國(guó)立理工大學(xué)和捷克布拉格化工大學(xué)的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)也開(kāi)發(fā)了一款基于光纖的氫氣監(jiān)測(cè)傳感器，可對(duì)濃度2%的空氣中的氫氣進(jìn)行有效檢測(cè)，該技術(shù)主要面向無(wú)人值守的加氫站以及燃料電池應(yīng)用[39]。

4.2.3 航天器吊裝智能控制

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

航天器吊裝的智能控制實(shí)質(zhì)上一種智能起重機(jī)，替代人員自動(dòng)完成箭體的位置識(shí)別、載物取放、路徑選擇、調(diào)整防搖等，并實(shí)時(shí)記錄和監(jiān)控工作狀態(tài)，自動(dòng)診斷故障并報(bào)警[40]。 結(jié)合航天器與發(fā)射場(chǎng)特點(diǎn)，箭體吊裝的智能控制及安全操作主要涉及空間定位技術(shù)、路徑規(guī)劃技術(shù)、防搖晃技術(shù)、狀態(tài)檢測(cè)與故障診斷技術(shù)等。 空間定位技術(shù)應(yīng)結(jié)合箭體的吊裝環(huán)境，在室外簡(jiǎn)單空間以編碼器、限位開(kāi)關(guān)與視覺(jué)識(shí)別為主要手段；在室內(nèi)或者回轉(zhuǎn)平臺(tái)內(nèi)以激光測(cè)距、超聲定位、FRID 等無(wú)線定位技術(shù)為主要手段。 Fang 等[41]提出使用吊裝空間三維動(dòng)態(tài)建模的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)吊裝環(huán)境的實(shí)時(shí)把控，確保吊裝安全性。 路徑規(guī)劃主要根據(jù)物體吊裝中障礙物與吊裝空間的特點(diǎn)開(kāi)展，包括靜態(tài)路徑規(guī)劃與動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃。 路徑規(guī)劃的算法研究較早，且方法很多[42]。 依據(jù)箭體的吊裝環(huán)境，綜合考慮可預(yù)見(jiàn)的箭體位形與吊裝空間變化，以靜態(tài)路徑規(guī)劃為主，同時(shí)建立起重機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)，以虛擬施工場(chǎng)景下的計(jì)算機(jī)輔助規(guī)劃。 防搖擺技術(shù)主要依靠控制實(shí)現(xiàn)，包括開(kāi)環(huán)和閉環(huán)控制。 開(kāi)環(huán)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(guī)劃的定位防搖擺控制。 實(shí)現(xiàn)防搖擺的閉環(huán)控制方法有很多，如反饋線性化、增益調(diào)度控制、滑模控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等方式。 狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)可有效地遏制故障損失和設(shè)備維修費(fèi)用，對(duì)關(guān)系到設(shè)備運(yùn)行和安全操作的狀態(tài)及參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，包括電機(jī)、制動(dòng)器、變頻器、電纜卷筒、工況設(shè)置等狀態(tài)以及載荷、力矩、起升高度、運(yùn)行行程、回轉(zhuǎn)角度、風(fēng)速等參數(shù)。

4.2.4 加注連接器自動(dòng)對(duì)接及隨動(dòng)

從國(guó)內(nèi)外推進(jìn)劑自動(dòng)加注與泄回的研究來(lái)看，關(guān)鍵問(wèn)題在于箭體隨機(jī)晃動(dòng)下如何確保加注連接器準(zhǔn)確對(duì)接，且適應(yīng)箭體運(yùn)動(dòng)而保持隨動(dòng)狀態(tài)。 由于箭體的晃動(dòng)幅度隨著高度的增加而逐漸增大，當(dāng)前采用自動(dòng)對(duì)接的連接器位置幾乎都是在一級(jí)尾部，關(guān)于二級(jí)以上的推進(jìn)劑加注的自動(dòng)對(duì)接技術(shù)則幾乎沒(méi)有成熟的應(yīng)用。

加注連接器的自動(dòng)對(duì)接應(yīng)具備可控柔性，即連接器可實(shí)時(shí)針對(duì)箭體的隨機(jī)晃動(dòng)快速調(diào)整位姿，在確保對(duì)接后，采用主動(dòng)或者被動(dòng)隨動(dòng)的方式保證連接安全可靠。 美國(guó)的遠(yuǎn)程智能臍帶對(duì)接系統(tǒng)與國(guó)內(nèi)酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心研制的加注機(jī)器人正是基于這樣一種技術(shù)路線，利用伺服電機(jī)控制運(yùn)動(dòng)模塊，實(shí)現(xiàn)連接器6 個(gè)自由度的變化，而在完成對(duì)接后鎖緊，驅(qū)動(dòng)消失，實(shí)現(xiàn)被動(dòng)隨動(dòng)。 此外，蛇臂式機(jī)器人等柔性機(jī)器人技術(shù)可被引入解決自動(dòng)對(duì)接及隨動(dòng)的問(wèn)題，國(guó)外FESTO 公司、OC 機(jī)器人公司以及國(guó)內(nèi)的新松機(jī)器人公司都在柔性機(jī)械臂上進(jìn)行了研發(fā)[43－45]，相關(guān)技術(shù)可借鑒用于加注連接器的自動(dòng)對(duì)接及隨動(dòng)。

5 小結(jié)

本文基于航天發(fā)射場(chǎng)運(yùn)維特點(diǎn)，提出了利用特種機(jī)器人及其技術(shù)協(xié)助或替代工作人員完成相關(guān)運(yùn)維工作，并對(duì)涉及的機(jī)器人類型及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析。 可以看出，特種機(jī)器人及技術(shù)的應(yīng)用將極大地提高發(fā)射場(chǎng)系統(tǒng)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(zhǔn)確性，成為航天發(fā)射場(chǎng)系統(tǒng)的無(wú)人值守實(shí)現(xiàn)的重要技術(shù)手段。