航天器變構(gòu)型模塊化可維修技術(shù)

劉育強(qiáng)，趙 陽，譚春林，高振良，王文龍

（1.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院，哈爾濱 150001）

隨著空間技術(shù)的不斷發(fā)展，航天器的功能密度越來越大、價(jià)值越來越高，在人類社會(huì)發(fā)展各方面起到的作用愈發(fā)突出。然而，航天器系統(tǒng)的復(fù)雜性和空間環(huán)境的特殊性，使得在軌故障難以避免，輕則使航天器功能損失、性能降級(jí)，重則導(dǎo)致整星失效，給國(guó)家和社會(huì)帶來巨大損失。據(jù)1990 年以后美日歐成功發(fā)射航天器的在軌數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，超過30%的在軌故障導(dǎo)致航天器完全失效［1］，2019 年8 月19日，中國(guó)中星18 號(hào)衛(wèi)星發(fā)射后太陽翼未展開，導(dǎo)致整星全損［2］。有別于硬件故障難以在軌維修的傳統(tǒng)航天器，可維修航天器是一種在研制之初就進(jìn)行在軌可維修性設(shè)計(jì)，容易接受在軌維修維護(hù)服務(wù)，可以適應(yīng)航天任務(wù)靈活定制，滿足航天器性能升級(jí)、壽命增長(zhǎng)和任務(wù)擴(kuò)展等需求的新一代航天器。

可維修航天器最早可追溯到20 世紀(jì)70 年代，美國(guó)NASA 提出了多任務(wù)模塊化航天器（Multi?mission spacecraft，MMS）的概念，并在1980 年至1992 年間發(fā)展了至少6 顆基于這一理念構(gòu)建的模塊化衛(wèi)星［3?4］。此后，美國(guó)、日本等先后通過哈勃望遠(yuǎn)鏡、ETS?Ⅶ（Engineering test satellite 7）衛(wèi)星、軌道快車計(jì)劃等項(xiàng)目［5］，開展了可維修航天器技術(shù)的長(zhǎng)期研究，實(shí)施了多次在軌驗(yàn)證。然而，航天器要具備可維修能力，需要付出額外的重量代價(jià)、增加設(shè)計(jì)復(fù)雜性，如何在代價(jià)最小的前提下實(shí)現(xiàn)可維修能力，還缺乏明確清晰的技術(shù)路線。

當(dāng)前，中國(guó)已將可維修航天器技術(shù)寫入國(guó)家“科技創(chuàng)新2030 重大項(xiàng)目”規(guī)劃，作為未來航天技術(shù)發(fā)展的重要方向。本文在剖析國(guó)外可維修航天器技術(shù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了一種兼顧維修性、先進(jìn)性和實(shí)現(xiàn)代價(jià)的可維修航天器設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了一種變構(gòu)型模塊化可維修航天器，闡述了涉及的關(guān)鍵技術(shù)，為中國(guó)可維修航天器發(fā)展提供參考。

1 國(guó)外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

MMS 是首個(gè)具備在軌可維修能力的衛(wèi)星平臺(tái)，由三棱柱主結(jié)構(gòu)和電源模塊、姿態(tài)控制模塊、通信與數(shù)據(jù)管理模塊3 個(gè)分系統(tǒng)級(jí)別的基本功能模塊組成，并配備大型推進(jìn)模塊、小型推進(jìn)模塊、載荷適配模塊等可選模塊；主結(jié)構(gòu)外圍的獨(dú)立模塊支持在軌更換，如圖1 所示?！疤柗迥晷l(wèi)星”是首個(gè)采用MMS 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)在軌應(yīng)用的衛(wèi)星，而且接受了宇航員的在軌維修服務(wù)。雖然MMS 平臺(tái)并不是專門針對(duì)在軌維修服務(wù)而設(shè)計(jì)的，但其開敞性架構(gòu)和模塊化設(shè)計(jì)，為其提供了可維修服務(wù)能力。受限于技術(shù)水平及低成本的考慮，MMS 平臺(tái)模塊化集中在分系統(tǒng)層面，模塊數(shù)量少，可維修程度低；模塊接口設(shè)計(jì)與內(nèi)部功能耦合嚴(yán)重，內(nèi)部功能只要微小改變，模塊接口就需要重新設(shè)計(jì)。

圖1 MMS 平臺(tái)及其分系統(tǒng)級(jí)模塊[3]Fig.1 MMS platform and its modules at subsystem level[3]

2005 年，NASA 提出了一種模塊化、自適應(yīng)可重構(gòu)空間系統(tǒng)（Modular，adaptive，reconfigurable systems，MARS）的概念［4］，如圖2 所示。MARS 定義了模塊化、自適應(yīng)、可重構(gòu)、系統(tǒng)4 個(gè)關(guān)鍵詞，并將功能模塊從分系統(tǒng)級(jí)別擴(kuò)展到從系統(tǒng)至電路板和MEMS（Micro electromechanical system）設(shè)備等不同層級(jí)，并通過在接口層面進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，應(yīng)用商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，采用開源體系架構(gòu)，模塊化分層軟件架構(gòu)等，構(gòu)建一個(gè)可以動(dòng)態(tài)演化的航天器系統(tǒng)。此外，NASA 在高能空間系統(tǒng)項(xiàng)目中提出了模塊化可重構(gòu)高能技術(shù)（Modular，reconfigurable，highenergy（MRHE）technology）的概念［6］，其目標(biāo)之一是旨在發(fā)展自動(dòng)交會(huì)對(duì)接技術(shù)、機(jī)器人在軌組裝模塊化空間系統(tǒng)、模塊化可重構(gòu)分布式綜合電子系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)，從而為未來在低地球軌道組裝大型太陽能系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

圖2 MARS 航天器概念設(shè)計(jì)圖[4]Fig.2 MARS spacecraft designs[4]

哈勃空間望遠(yuǎn)鏡（Hubble space telescope，HST）是典型的可維修航天器，其從立項(xiàng)之初就采用了可維修性的設(shè)計(jì)理念，并貫徹整個(gè)研制過程。根據(jù)在軌維修需求，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡在部件級(jí)別設(shè)置了約70 個(gè)在軌可更換單元（Orbital replacement unit，ORU）［7?8］，主要包括支持系統(tǒng)模塊設(shè)備，如蓄電池、數(shù)據(jù)接口單元、機(jī)構(gòu)控制單元等；光學(xué)望遠(yuǎn)鏡模塊，如數(shù)據(jù)接口單元、光學(xué)控制電子器件，以及焦平面設(shè)備等。哈勃空間望遠(yuǎn)鏡在設(shè)計(jì)中考慮了ORU 在軌更換服務(wù)的可到達(dá)性，大部分ORU 安裝在航天器周邊的設(shè)備隔艙中，隔艙艙門可打開，使模塊可被檢測(cè)和操作。值得注意的是，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的功能模塊連接固定方式比較復(fù)雜，需要宇航員利用多種復(fù)雜專用工具完成，需長(zhǎng)時(shí)間地面模擬演練和大量準(zhǔn)備工作，難于在機(jī)器人提供在軌服務(wù)的一般衛(wèi)星上應(yīng)用。

2007 年，軌道快車（Orbital express，OE）計(jì)劃在軌驗(yàn)證了自主交會(huì)對(duì)接、衛(wèi)星推進(jìn)劑傳輸、模塊在軌更換以及可服務(wù)航天器設(shè)計(jì)等技術(shù)。軌道快車項(xiàng)目包括太空運(yùn)輸機(jī)器人服務(wù)艙（Autonomous space transfer and robotic orbiter，ASTRO）和未來星（NextSat/CSC）兩顆衛(wèi)星，其中，NextSat 衛(wèi)星定位為下一代可維修衛(wèi)星和商品化衛(wèi)星［9?10］，其維修性設(shè)計(jì)要素包括交會(huì)對(duì)接輔助設(shè)計(jì)、星間鏈路天線、維修操作接口、分離環(huán)、ORU 設(shè)備及ORU安裝艙、流體傳輸模塊；其中交會(huì)對(duì)接輔助設(shè)計(jì)包含被動(dòng)對(duì)接敏感器、抓持裝置等，維修操作接口包含對(duì)接機(jī)構(gòu)、液路快速斷接接口、電連接器等；ORU 包括鋰離子蓄電池和計(jì)算機(jī)兩個(gè)功能模塊，均采用外置安裝的方式，如圖3 所示。除了在硬件上進(jìn)行可維修性設(shè)計(jì)外，NextSat 衛(wèi)星還配備了一種類似于狀態(tài)機(jī)的模式管理軟件，使得NextSat可以充當(dāng)ASTRO 的自主代理終端，并根據(jù)AS?TRO 的操作指令進(jìn)行狀態(tài)切換，從而確保在不顯著增加操作復(fù)雜性的情況下高度自主執(zhí)行維修任務(wù)。

圖3 軌道快車計(jì)劃雙星[5]Fig.3 Two satellites of orbital express[5]

2011 年開始，美國(guó)國(guó)防部先進(jìn)研究項(xiàng)目局（DARPA），開始通過“鳳凰”計(jì)劃（Phoenix Proj?ect）資助諾瓦沃克斯公司研究模塊化可重構(gòu)的“細(xì)胞星”［11?12］。“鳳凰”計(jì)劃主要針對(duì)GEO 衛(wèi)星零部件重用技術(shù)開展研究，其設(shè)想為通過機(jī)械臂操作將GEO 衛(wèi)星的大型天線進(jìn)行拆解，并利用多個(gè)細(xì)胞星附著其后，在軌構(gòu)成一顆新衛(wèi)星，如圖4 所示，以實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星高價(jià)值部件的在軌重用和航天器的新生重構(gòu)。2015 年底至2017 年期間，宇航員在國(guó)際空間站上多次開展了“超級(jí)集成細(xì)胞星”和有效載荷在軌組裝構(gòu)建新衛(wèi)星及其釋放應(yīng)用試驗(yàn)，驗(yàn)證了“細(xì)胞星”聚合體平臺(tái)兼容衛(wèi)星有效載荷的能力。“鳳凰”計(jì)劃的可維修特點(diǎn)主要體現(xiàn)在通用化貨架式承載結(jié)構(gòu)技術(shù)、結(jié)構(gòu)和接口標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、可重用技術(shù)、可按需重構(gòu)升級(jí)、可在軌組裝等方面。

圖4 細(xì)胞星集成及與天線重構(gòu)利用[13]Fig.4 Concept of Satlet integration and reconfiguration with a retrieved antenna[13]

2015 年，美國(guó)提出了“用于科學(xué)探索的可重構(gòu)運(yùn)行航天器”（Reconfigurable operational spacecraft for science and exploration，ROSE）項(xiàng)目［14］，旨在開發(fā)一種低成本的在軌可維修航天器，以提升商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)能力。在總結(jié)MMS 和HST 經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)的基礎(chǔ)上，ROSE 航天器進(jìn)行了適度模塊化設(shè)計(jì)，配置6 個(gè)可更換模塊，具備推進(jìn)劑在軌可補(bǔ)加能力，見圖5。

圖5 ROSE 航天器縱覽[14]Fig.5 ROSE spacecraft overview[14]

除美國(guó)外，日本和德國(guó)也開展了可維修航天器技術(shù)相關(guān)研究。1997 年，日本利用ETS?Ⅶ衛(wèi)星在軌驗(yàn)證了ORU 更換、在軌加注、桁架組裝和天線裝配等技術(shù)。2010 年，德國(guó)宇航中心提出了面向衛(wèi)星在軌服務(wù)的智能積木（Intelligent building blocks for on?orbit satellite servicing）項(xiàng)目。該項(xiàng)目發(fā)展了具有統(tǒng)一接口的同構(gòu)化功能模塊，模塊構(gòu)型為立方體，邊長(zhǎng)40 cm，30 個(gè)模塊可構(gòu)成一顆典型可維修衛(wèi)星［15］，如圖6 所示。iBOSS 項(xiàng)目追求高度可重構(gòu)性，系統(tǒng)體積、重量代價(jià)較大。

圖6 iBOSS 項(xiàng)目概念圖[16]Fig.6 Concept of iBOSS project[16]

綜合而言，當(dāng)前航天器可維修能力較少?gòu)目删S修體系上綜合優(yōu)化，功能模塊顆粒度劃分不一，可維修構(gòu)型布局與接口設(shè)計(jì)方面代價(jià)大、接口標(biāo)準(zhǔn)化方面考慮不足，較少考慮航天器的具體應(yīng)用場(chǎng)景，阻礙了可維修航天器技術(shù)的推廣應(yīng)用。

2 變構(gòu)型可維修航天器設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)航天器可維修能力的同時(shí)，兼顧性能先進(jìn)、代價(jià)最小，核心是構(gòu)建合適的航天器體系架構(gòu)、分級(jí)適度的航天器功能模塊體系與接口體系。本文提出的可維修航天器通用設(shè)計(jì)方法從這3 方面進(jìn)行闡述，并據(jù)此設(shè)計(jì)一種典型的變構(gòu)型模塊化可維修航天器。

2.1 可維修體系架構(gòu)

航天器可維修體系架構(gòu)是實(shí)現(xiàn)航天器在軌可維修的核心，也是確保航天器功能性能可隨技術(shù)發(fā)展而動(dòng)態(tài)升級(jí)演化的關(guān)鍵?？删S修體系架構(gòu)由開放式機(jī)械體系、分布式異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)體系、可補(bǔ)加動(dòng)力體系3 部分構(gòu)成。其中，開放式機(jī)械體系為可維修航天器在軌維修、重構(gòu)與組裝拓展提供維修操作通道和靜力承載基礎(chǔ)；分布式異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)體系從功率流、信息流、動(dòng)力控制流、熱流等方面為可維修航天器提供異構(gòu)集成、互聯(lián)互通的分布式系統(tǒng)，為系統(tǒng)彈性可塑提供根本保障；可補(bǔ)加動(dòng)力體系為推進(jìn)劑等消耗性工質(zhì)提供在軌接受補(bǔ)加的能力。

（1）開放式機(jī)械體系

與傳統(tǒng)航天器相比，可維修航天器需要支持在軌維修操作，除需滿足高效承載的要求外，還要求機(jī)械體系具有開敞性和維修操作可達(dá)性，并具備可擴(kuò)展和可重構(gòu)能力，以支持航天器模塊更換、系統(tǒng)擴(kuò)展、在軌組裝等應(yīng)用需求。傳統(tǒng)不可維修航天器機(jī)械體系架構(gòu)與可維修航天器機(jī)械體系架構(gòu)的區(qū)別如表1 所示。

表1 航天器不同機(jī)械體系架構(gòu)區(qū)別Table 1 Differences between different mechanical architectures of spacecraft

根據(jù)上述設(shè)計(jì)思想，基于主結(jié)構(gòu)可變構(gòu)型的理念，設(shè)計(jì)了一種伸展式變構(gòu)型可維修航天器，其構(gòu)型如圖7 所示。整星由主結(jié)構(gòu)（能源動(dòng)力艙）、兩側(cè)擴(kuò)展結(jié)構(gòu)（側(cè)艙）、頂部擴(kuò)展結(jié)構(gòu)（頂艙）4 個(gè)一級(jí)機(jī)械模塊組成。3 個(gè)擴(kuò)展結(jié)構(gòu)外部均可安裝有效載荷，或進(jìn)行航天器在軌組裝拓展，內(nèi)部安裝可更換功能模塊；主結(jié)構(gòu)外部安裝太陽翼，內(nèi)部安裝推進(jìn)劑貯箱等大型部組件和不可更換設(shè)備，也可安裝部分可更換功能模塊。

圖7 一種變構(gòu)型可維修航天器Fig.7 A maintainable spacecraft with variable configuration

在軌維修時(shí)，通過可重復(fù)伸展機(jī)構(gòu)將擴(kuò)展結(jié)構(gòu)與主結(jié)構(gòu)分離，為內(nèi)部功能模塊在軌更換建立維修操作通道。根據(jù)有效載荷安裝不同，擴(kuò)展結(jié)構(gòu)內(nèi)部的可更換功能模塊既可以進(jìn)行外掛安裝，也可以進(jìn)行內(nèi)置安裝，以實(shí)現(xiàn)載荷的靈活適配性和維修操作的靈活適應(yīng)性。當(dāng)可更換功能模塊進(jìn)行內(nèi)置安裝時(shí)，擴(kuò)展結(jié)構(gòu)外部可安裝有效載荷，如通信衛(wèi)星的可展開反射面天線、天線饋源等。

（2）分布式異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)體系

當(dāng)前，航天器各分系統(tǒng)多為集中式系統(tǒng)，系統(tǒng)間、設(shè)備間相互耦合程度高，且存在跨系統(tǒng)互聯(lián)互通難、智能化程度低等不足，難以支持在軌維修維護(hù)。對(duì)此，本文提出一種可突破傳統(tǒng)分系統(tǒng)約束的分布式異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，旨在為航天器在軌可維修能力的生成提供根本保障，如圖8所示。

圖8 分布式異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)體系Fig.8 Distributed heterogeneous network architecture

該體系架構(gòu)的核心在于采用一條或多條公用功率總線、信息總線和熱總線為紐帶，建立一個(gè)分布式的對(duì)等網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；再采用即插即用接口技術(shù)、部件自描述技術(shù)、即插即用軟件技術(shù)等將一般硬件設(shè)備總線化和智能化，并將其連接到分布式對(duì)等網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，從而構(gòu)成一個(gè)由不同分系統(tǒng)設(shè)備異構(gòu)連接的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。其中，功率總線可通過匯流條、定制電纜網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，信息總線由定制電纜網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，熱總線可由流體回路系統(tǒng)或熱管網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。一般而言，功率總線、信息總線、熱總線不進(jìn)行在軌維修性設(shè)計(jì)；必要時(shí)也可以與衛(wèi)星艙板進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，形成可更換智能艙板系統(tǒng)。同時(shí)，通過同類資源聚類劃分、分區(qū)管理，在設(shè)備層面實(shí)現(xiàn)功能的重新聚類和即插即用，確保可維修航天器在本質(zhì)上支持在軌維修、在軌更換、系統(tǒng)重構(gòu)與擴(kuò)展、多任務(wù)自適應(yīng)等新需求，并在系統(tǒng)層面實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)化、代價(jià)低廉。如，可以將星上計(jì)算類資源、信息處理類資源進(jìn)行統(tǒng)一劃分與管理，形成高性能計(jì)算功能區(qū)、高速數(shù)據(jù)處理功能區(qū)，實(shí)現(xiàn)同一類資源在傳統(tǒng)意義上的綜合電子分系統(tǒng)、控制分系統(tǒng)、有效載荷分系統(tǒng)等不同分系統(tǒng)間復(fù)用，甚至通過星間星內(nèi)一體化網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)資源在不同衛(wèi)星間共享。

（3）可補(bǔ)加動(dòng)力體系

推進(jìn)劑是決定航天器壽命和系統(tǒng)使用效能的關(guān)鍵因素，對(duì)地球靜止軌道的高價(jià)值衛(wèi)星尤其如此?？删S修航天器可補(bǔ)加設(shè)計(jì)需要進(jìn)行兩方面的適應(yīng)性改進(jìn)，一是增加相應(yīng)的管路、閥門等必要部件，構(gòu)建可補(bǔ)加的氣、液流體通路；二是在星表增加可加注接口，以便與服務(wù)衛(wèi)星構(gòu)建氣液補(bǔ)加通道。管路系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)推進(jìn)分系統(tǒng)管路設(shè)計(jì)基本相同，無特別之處；對(duì)于星表可加注接口，視兩星加注接口的連接方式不同，主要有兩種技術(shù)途徑。第一種是將可加注接口與航天器對(duì)接機(jī)構(gòu)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，在服務(wù)衛(wèi)星與可維修航天器對(duì)接的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)可補(bǔ)加接口的同步連接；其特點(diǎn)是氣液接口連接方式簡(jiǎn)單可靠，但要求可維修航天器增加專用對(duì)接機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)重量增加大，且對(duì)接機(jī)構(gòu)占據(jù)衛(wèi)星的一個(gè)完整安裝表面，影響可維修航天器有效載荷安裝，難以在一般航天器上推廣應(yīng)用。這種方案的典型應(yīng)用是軌道快車計(jì)劃，如圖9（a）所示。第二種無須專用對(duì)接裝置，僅在被加注航天器上增加推進(jìn)劑可加注接口，如美國(guó)OSAM1（On?orbit serving，assembly，and manufacturing 1）項(xiàng)目將于2024 年左右驗(yàn)證的可加注接口［17］，見圖9（b）。這種方案，加注接口的連接依靠服務(wù)航天器利用機(jī)械臂操作完成；其特點(diǎn)是可維修航天器為實(shí)現(xiàn)可補(bǔ)加能力代價(jià)小，不影響衛(wèi)星原有用途，方便推廣應(yīng)用。設(shè)計(jì)表明，相比方案一，接口重量代價(jià)降低60%以上；其不足是對(duì)服務(wù)航天器提出了較高要求，但通過服務(wù)航天器的系統(tǒng)優(yōu)化、通過機(jī)械臂在推進(jìn)劑加注與模塊更換等任務(wù)中的功能復(fù)用，可以彌補(bǔ)這一不足。無須專用星間對(duì)接裝置的在軌加注接口代表了后續(xù)技術(shù)發(fā)展方向，本文變構(gòu)型可維修航天器采用這一方案。

圖9 不同推進(jìn)劑可補(bǔ)加接口Fig.9 Different propellant refillable interfaces

2.2 可更換功能模塊體系

功能模塊是可維修航天器接受在軌維修的主要載體?？筛鼡Q功能模塊體系構(gòu)建的關(guān)鍵是功能模塊劃分顆粒度合適，以確保維修性和代價(jià)兼顧。本文設(shè)計(jì)的變構(gòu)型可維修航天器采用兩級(jí)功能模塊體系，一級(jí)為艙段級(jí)功能模塊，如圖7 所示，包括能源動(dòng)力艙、側(cè)艙、頂艙3 種功能模塊，根據(jù)需要這些艙段可以進(jìn)行在軌可更換設(shè)計(jì)；二級(jí)為設(shè)備級(jí)功能模塊。二級(jí)可更換功能模塊主要包括3 類，一類是常規(guī)通用型可更換功能模塊，如可更換控制力矩陀螺、可更換計(jì)算機(jī)等，其特點(diǎn)是功能模塊接口可以統(tǒng)一設(shè)計(jì)、功能模塊形狀比較規(guī)則、模塊剛度好，方便在軌更換操作；第二類是柔性附件類可更換功能模塊，如可更換太陽翼、可更換熱控輻射器、可更換熱控多層、可更換天線等，其特點(diǎn)是需要針對(duì)每類設(shè)備進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)，其可更換接口不具有通用性，且功能模塊形狀復(fù)雜、柔性大，對(duì)空間機(jī)械臂在軌維修操作要求高；第三類是在軌組裝構(gòu)建型功能模塊，如可組裝桁架結(jié)構(gòu)、機(jī)電熱一體化可更換衛(wèi)星艙板等，其主要為滿足航天器在軌組裝、重構(gòu)、擴(kuò)展等需求。

2.3 即插即用接口體系

除體系架構(gòu)支持外，航天器可修易修的關(guān)鍵是各類接口的標(biāo)準(zhǔn)化和即插即用能力。本文設(shè)計(jì)的變構(gòu)型可維修航天器接口體系如圖10 所示，包括星間接口、艙段級(jí)接口和設(shè)備級(jí)接口3 類。星間接口主要面向與服務(wù)航天器交會(huì)連接前的輔助識(shí)別與測(cè)量，捕獲連接階段的捕獲抓持，捕獲連接后的推進(jìn)劑補(bǔ)加、整星檢測(cè)等用途。艙段級(jí)接口主要支持可維修航天器可更換艙段之間的連接與分離、艙段間的信息傳輸、能源傳輸，以及必要時(shí)的熱量交互。設(shè)備級(jí)接口主要用于實(shí)現(xiàn)可維修航天器設(shè)備級(jí)功能模塊的在軌更換，接口即插即用功能主要體現(xiàn)在這一層級(jí)。根據(jù)設(shè)備級(jí)功能模塊劃分的類型，設(shè)備級(jí)接口包括可更換通用設(shè)備接口、可更換專用設(shè)備接口與不可更換設(shè)備接口3 類?？筛鼡Q通用設(shè)備接口面向常規(guī)通用型可更換功能模塊，可更換專用設(shè)備接口面向柔性附件類可更換功能模塊和在軌組裝構(gòu)建型功能模塊；不可更換設(shè)備接口主要面向在軌不可更換設(shè)備，如復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、射頻設(shè)備等。對(duì)于可更換設(shè)備，通過接口設(shè)計(jì)與系統(tǒng)支持實(shí)現(xiàn)可插拔更換與智能化檢測(cè)管理的雙重功能，即實(shí)現(xiàn)在軌即插即用；對(duì)于不可更換設(shè)備，通過接口設(shè)計(jì)與系統(tǒng)支持實(shí)現(xiàn)智能化檢測(cè)管理功能。

圖10 可維修航天器接口體系Fig.10 Interface architecture of maintainable spacecraft

2.4 可維修航天器維修需求

變構(gòu)型可維修航天器支持推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加、星表和星內(nèi)模塊更換、大型附件輔助展開與更換、艙段更換、在軌組裝擴(kuò)展等幾類任務(wù)。通過可維修性設(shè)計(jì)，可以大幅降低維修服務(wù)任務(wù)對(duì)空間機(jī)械臂等服務(wù)提供方的能力要求。變構(gòu)型模塊化可維修航天器維修操作精度需求分為3 個(gè)級(jí)別，一級(jí)功能模塊，維修操作精度優(yōu)于5～10 mm、2°～3°（絕對(duì)定位精度，下同）；二級(jí)附件類功能模塊，維修操作精度優(yōu)于3～5 mm、1°～2°；二級(jí)常規(guī)通用型功能模塊及其他任務(wù)，維修操作精度優(yōu)于2～3 mm、1°。根據(jù)空間機(jī)械臂的操作可達(dá)范圍，可維修航天器頂艙設(shè)備維修、大范圍組裝擴(kuò)展等任務(wù)需要機(jī)械臂抓持維修部位附近的捕獲抓持接口，兩星進(jìn)行浮動(dòng)連接；其余任務(wù)兩星采用固定連接的方式。同時(shí)，星表、星內(nèi)等不同位置設(shè)備維修對(duì)維修操作路徑、維修時(shí)間的約束不同；不同附件類的二級(jí)功能模塊對(duì)維修操作工具的需求不同，而其他功能模塊一般可由通用末端工具進(jìn)行維修操作。幾類任務(wù)對(duì)服務(wù)航天器的維修操作需求如表2 所示。

表2 可維修航天器維修操作需求Table 2 Manipulation requirment of the designed maintainable spacecraft

3 可維修航天器關(guān)鍵技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)兼顧性能先進(jìn)、代價(jià)合理的可維修航天器的發(fā)展，從維修性設(shè)計(jì)、拓?fù)浼軜?gòu)設(shè)計(jì)以及維修性評(píng)價(jià)3 方面，對(duì)可維修航天器研制需要解決的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析。

3.1 維修性設(shè)計(jì)技術(shù)

航天器的在軌可維修性主要由航天器機(jī)械體系架構(gòu)設(shè)計(jì)、功能模塊化設(shè)計(jì)確定，前者決定了在軌維修操作通道的大小與操作受限程度，而功能模塊的種類和數(shù)量則決定了航天器的可維修程度。

航天器機(jī)械體系架構(gòu)設(shè)計(jì)主要是選擇合適的構(gòu)型與結(jié)構(gòu)形式，滿足發(fā)射段抗力學(xué)環(huán)境、航天器功能設(shè)備承載、在軌構(gòu)型維持以及在軌維修操作可達(dá)等要求。為了實(shí)現(xiàn)在軌維修操作可達(dá)，有兩種基本技術(shù)途徑，一是采用開放式構(gòu)型，各種可更換功能模塊和維修部件安裝在航天器表面，如MMS 平臺(tái)、軌道快車“未來星”、ETS?Ⅶ試驗(yàn)星等均采用了這種設(shè)計(jì)；二是采用變構(gòu)型技術(shù)，如哈勃望遠(yuǎn)鏡的開艙門技術(shù)、類似SMART Bus 的籠屜式可變構(gòu)型技術(shù)、本文的可伸展變構(gòu)型技術(shù)等。無論采用哪種技術(shù)途徑，多約束條件下的可維修構(gòu)型優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)、強(qiáng)適應(yīng)模塊化結(jié)構(gòu)技術(shù)、智能化多功能結(jié)構(gòu)技術(shù)都是需要解決的關(guān)鍵問題。

航天器功能模塊化設(shè)計(jì)包含模塊劃分和模塊設(shè)計(jì)兩部分，模塊劃分是模塊設(shè)計(jì)的前提與基礎(chǔ)［18］。為了兼顧維修性和實(shí)現(xiàn)代價(jià)，需要采用合適的方法進(jìn)行功能模塊劃分，以打破固有思維的束縛，實(shí)現(xiàn)可更換模塊內(nèi)部功能高度聚合、模塊之間低耦合。模塊設(shè)計(jì)則是功能模塊化的關(guān)鍵，其核心是功能模塊接口設(shè)計(jì)。為支持在軌可維修，功能模塊接口設(shè)計(jì)需要滿足空間機(jī)械臂捕獲抓持、功能模塊與航天器本體連接鎖定，功能模塊與航天器本體進(jìn)行信息、能源、熱量交互等功能需求。根據(jù)在軌更換過程中功能模塊接口機(jī)械連接與其他連接器的作動(dòng)順序不同，目前，國(guó)內(nèi)外主要發(fā)展了捕獲插接鎖緊式、插接鎖緊式、鎖緊插接式3 大類接口［19］。盡管功能模塊接口的類型豐富多樣，但離在軌實(shí)用還存在一定差距，功能模塊接口輕小型化技術(shù)、機(jī)電熱信息多功能一體化技術(shù)、功能模塊接口即插即用技術(shù)、能源信息一體化無線傳輸技術(shù)等仍需攻關(guān)。

3.2 拓?fù)浼軜?gòu)技術(shù)

航天器的技術(shù)先進(jìn)性及其是否可隨技術(shù)發(fā)展而動(dòng)態(tài)演進(jìn)能力主要由其拓?fù)浼軜?gòu)決定。對(duì)于以分布式異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)構(gòu)建的可維修航天器，其核心關(guān)鍵技術(shù)包括分布式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、系統(tǒng)功能重構(gòu)技術(shù)、分布式能源控制技術(shù)、分布式姿態(tài)控制技術(shù)、自適應(yīng)熱控技術(shù)等。分布式網(wǎng)絡(luò)是整個(gè)可維修航天器的電氣信息基礎(chǔ)，主要包括高速對(duì)等信息網(wǎng)絡(luò)、可變拓?fù)淠茉淳W(wǎng)絡(luò)和自適應(yīng)熱控網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)功能重構(gòu)技術(shù)主要從軟件層面或硬件功能軟件化層面支持航天器功能動(dòng)態(tài)重構(gòu)，包括任務(wù)自主管理技術(shù)、任務(wù)遷移技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化信息接口技術(shù)、即插即用協(xié)議技術(shù)、硬件功能軟件定義等。分布式能源控制技術(shù)是為了解決傳統(tǒng)集中式能源供配技術(shù)難以支持在軌維修、難以升級(jí)擴(kuò)展的不足，發(fā)展的以“能源總線”為核心的能源供配技術(shù)，包括供電及供電調(diào)節(jié)能力集成的一體化能源包技術(shù)、智能配電技術(shù)、能源下垂控制技術(shù)、多端口功率接口技術(shù)等。分布式姿態(tài)控制技術(shù)主要是面向大型航天器的分區(qū)、協(xié)調(diào)控制技術(shù)。自適應(yīng)熱控技術(shù)則對(duì)系統(tǒng)的熱收集、熱傳輸、熱排散等提出了新要求，需要從可調(diào)速流體回路技術(shù)、智能涂層技術(shù)、可展開熱輻射器技術(shù)等方面進(jìn)行攻關(guān)。

3.3 維修性評(píng)價(jià)技術(shù)

維修性評(píng)價(jià)是判斷可維修航天器性能設(shè)計(jì)優(yōu)劣、可維修代價(jià)能否支持航天器可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵，主要包括性能評(píng)價(jià)和效益評(píng)估兩方面。

對(duì)于可維修航天器性能評(píng)價(jià)，首先需要從可維修性、技術(shù)先進(jìn)性、實(shí)現(xiàn)代價(jià)3 方面構(gòu)建綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，建立評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。然后，采用合適的評(píng)價(jià)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)。鑒于航天器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，且在某些方面依賴設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)可以采用定性、定量相結(jié)合的評(píng)價(jià)方法，如采用模糊評(píng)價(jià)方法將專家打分評(píng)價(jià)、定量計(jì)算評(píng)價(jià)或仿真評(píng)價(jià)、區(qū)間分析等多種手段進(jìn)行綜合，以給出合理的評(píng)價(jià)判斷。

對(duì)于效益評(píng)估主要從航天器可維修化設(shè)計(jì)及接受在軌服務(wù)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值方面進(jìn)行分析，以判斷可維修航天器能否可持續(xù)發(fā)展。國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了以基于可維修航天器與服務(wù)航天器雙方為視角的多種經(jīng)濟(jì)價(jià)值定量分析評(píng)價(jià)方法［20］，為可維修航天器的效能評(píng)估提供了參考。對(duì)于可維修航天器的效益評(píng)估還需要在功能模塊可更換設(shè)計(jì)、推進(jìn)劑可加注設(shè)計(jì)、在軌可組裝設(shè)計(jì)等方面開展實(shí)例化研究。

4 結(jié)論

（1）闡述了國(guó)外可維修航天器的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，剖析了其技術(shù)特點(diǎn)，指出了未發(fā)展出實(shí)用可維修航天器的技術(shù)原因。

（2）提出了以可維修體系架構(gòu)、可更換功能模塊體系與即插即用接口體系為核心的可維修航天器設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了一種主結(jié)構(gòu)可變構(gòu)型的模塊化可維修航天器，其對(duì)維修操作方要求低、容易維修維護(hù)，且系統(tǒng)功能性能可隨技術(shù)發(fā)展而動(dòng)態(tài)演化發(fā)展。

（3）變構(gòu)型模塊化可維修航天器的異構(gòu)分布式網(wǎng)絡(luò)、兩級(jí)功能模塊體系和三級(jí)接口體系，突破了傳統(tǒng)航天器功能劃分的束縛，在系統(tǒng)層面可實(shí)現(xiàn)功能復(fù)用、在功能模塊層面模塊劃分顆粒度適度，在實(shí)現(xiàn)可維修能力的同時(shí)代價(jià)較小。

（4）從維修性設(shè)計(jì)、拓?fù)浼軜?gòu)設(shè)計(jì)、維修性評(píng)價(jià)3 方面分析了可維修航天器的主要關(guān)鍵技術(shù)，闡述了其技術(shù)內(nèi)涵與現(xiàn)狀，指出了后續(xù)攻關(guān)方向。