（中國(guó)航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院）

國(guó)外在軌裝配技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)析

Development Analysis of Foreign On-orbit Assembly Technologies

賈平（中國(guó)航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院）

2016年，歐洲航天局（ESA）將資助研究立方星在軌自主交會(huì)對(duì)接技術(shù)，擬在此基礎(chǔ)上發(fā)展利用多顆立方星在軌自主裝配成大型航天器的技術(shù)。2015年，美國(guó)公布了多個(gè)在軌裝配技術(shù)項(xiàng)目：美國(guó)航空航天局（NASA）于7月宣布開(kāi)展“大型結(jié)構(gòu)系統(tǒng)太空裝配”（SALSSA）項(xiàng)目；勞拉空間系統(tǒng)公司（SS/L）在8月被美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）授予用于在軌自主裝配地球靜止軌道通信衛(wèi)星的“蜻蜓”（Dragonfly）項(xiàng)目合同；11月，NASA在“臨界點(diǎn)”（Tipping Point）計(jì)劃規(guī)劃的“航天器與空間結(jié)構(gòu)的機(jī)器人太空制造與裝配”主題下授出了3份合同，其中包括與勞拉空間系統(tǒng)公司合作開(kāi)展“蜻蜓”項(xiàng)目地面演示和飛行演示驗(yàn)證。在軌裝配技術(shù)將成為低成本快速部署航天器的途徑之一，推動(dòng)大型高性能航天器（例如大型深空探測(cè)補(bǔ)給站和空間望遠(yuǎn)鏡）的發(fā)展，是以美國(guó)為主的、多個(gè)國(guó)家大力發(fā)展的重要在軌服務(wù)技術(shù)。

1 在軌裝配的層次

在軌裝配是指在太空中將不同的部件連接構(gòu)建成一個(gè)結(jié)構(gòu)、子系統(tǒng)、子系統(tǒng)單元體等空間設(shè)施，或把一個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)分離后進(jìn)行重新組合。包括航天器、空間系統(tǒng)和空間結(jié)構(gòu)的在軌構(gòu)建、替換、連接、組合或重組，小到模塊更換、電池陣、天線等的安裝與展開(kāi)，大到大型獨(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。根據(jù)在軌裝配任務(wù)對(duì)象的規(guī)模，將航天器在軌裝配任務(wù)從頂層到底層劃分為5個(gè)層次。

2 發(fā)展水平與進(jìn)展

對(duì)于航天器組合層級(jí)的在軌裝配，“國(guó)際空間站”與后勤補(bǔ)給航天器的自動(dòng)對(duì)接應(yīng)用較為成熟；以可替換模塊的自主裝配為代表的功能擴(kuò)展層級(jí)在軌裝配已完成演示驗(yàn)證；“鳳凰”計(jì)劃是代表整星組裝及模塊組裝層級(jí)的較為先進(jìn)的、進(jìn)展較大的典型在軌裝配計(jì)劃；大型結(jié)構(gòu)的無(wú)人自主裝配技術(shù)驗(yàn)證亦在本文中被歸為模塊組裝層級(jí)，雖然尚在規(guī)劃發(fā)展中，但太空增材制造技術(shù)（即適用于太空環(huán)境下的3D打印技術(shù)）的發(fā)展使衛(wèi)星零部件和大型結(jié)構(gòu)有望在未來(lái)幾年實(shí)現(xiàn)在軌制造。

航天器組合層級(jí)的自主裝配應(yīng)用較為成熟

交會(huì)對(duì)接技術(shù)是自主裝配尤其是航天器組合層級(jí)自主在軌裝配必不可少的基礎(chǔ)技術(shù)?！皣?guó)際空間站”與補(bǔ)給航天器的自動(dòng)對(duì)接是航天器組合層級(jí)的自主裝配應(yīng)用的典型代表。由歐洲航天局研發(fā)的“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”在2008年與“國(guó)際空間站”完成完全自動(dòng)對(duì)接與貨物補(bǔ)給，成為歐洲首個(gè)與“國(guó)際空間站”完成自動(dòng)對(duì)接的航天器。自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器在緊急情況下能啟動(dòng)避碰預(yù)編程序。日本的H-2轉(zhuǎn)移飛行器同樣與“國(guó)際空間站”進(jìn)行了多次自動(dòng)對(duì)接，完成補(bǔ)給任務(wù)。

部分可替換模塊通過(guò)機(jī)械臂完成自主裝配演示驗(yàn)證

日本的工程試驗(yàn)衛(wèi)星-7是世界首個(gè)采用機(jī)械臂的在軌服務(wù)驗(yàn)證任務(wù)，通過(guò)一個(gè)可替換模塊模擬多種可替換模塊的更換，驗(yàn)證了利用機(jī)械臂進(jìn)行可替換模塊更換技術(shù)，以及組裝桁架結(jié)構(gòu)、裝配試驗(yàn)天線等裝配技術(shù)；美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局資助的“軌道快車(chē)”（Orbital Express）完成了包括服務(wù)星“自主空間傳送機(jī)器人軌道器”（ASTRO）與目標(biāo)星“下一代可接受服務(wù)衛(wèi)星”（NEXTSat）的自主交會(huì)對(duì)接及更換電源可替換模塊和姿態(tài)控制計(jì)算機(jī)可替換模塊在內(nèi)的所有演示任務(wù)；“試驗(yàn)衛(wèi)星系統(tǒng)”（XSS）計(jì)劃中的試驗(yàn)衛(wèi)星系統(tǒng)-12（XSS-12）計(jì)劃將采用1顆小衛(wèi)星為母星提供非對(duì)接繞飛服務(wù)，另外1顆小衛(wèi)星與母星完成對(duì)接，實(shí)際是母星與可替換模塊的對(duì)接。

航天器在軌裝配層次

整星在軌裝配處于研發(fā)試驗(yàn)階段

通過(guò)衛(wèi)星的零部件或模塊在軌裝配成整星方面，僅有“鳳凰”計(jì)劃即將進(jìn)行在軌飛行試驗(yàn)。美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局“鳳凰”計(jì)劃設(shè)想發(fā)射具有衛(wèi)星某一分系統(tǒng)級(jí)或部件級(jí)的模塊化“細(xì)胞星”進(jìn)入地球靜止軌道（GEO），利用空間機(jī)器人將其安裝到廢棄衛(wèi)星的天線上，再將安裝有“細(xì)胞星”的天線拆卸下來(lái)構(gòu)成新衛(wèi)星，將其拖至目標(biāo)軌道釋放。2015年12月，“國(guó)際空間站”對(duì)美國(guó)諾瓦沃克斯公司（NovaWurks）為“鳳凰”研發(fā)的“高度集成的細(xì)胞星”（HISat）模塊進(jìn)行了“細(xì)胞星初始任務(wù)試驗(yàn)”（SIMPL）。2016年1月，諾瓦沃克斯公司宣布擬在2016年將“高度集成的細(xì)胞星”發(fā)射至近地軌道進(jìn)行演示驗(yàn)證。

除“鳳凰”計(jì)劃外，美國(guó)在2015年新啟動(dòng)了若干以整星在軌裝配為遠(yuǎn)期目標(biāo)的項(xiàng)目。2015年8月，美國(guó)太空制造公司（Made in Space）與納諾萊克斯公司（NanoRacks）計(jì)劃合作開(kāi)展“存儲(chǔ)與部署”計(jì)劃，將利用納諾萊克斯公司的立方體衛(wèi)星部署技術(shù)和太空制造公司的太空增材制造能力，提供在太空環(huán)境下按需制造、組裝與部署立方體衛(wèi)星的服務(wù)。此外，“蜻蜓”項(xiàng)目擬在軌自主裝配尺寸更大、能力更強(qiáng)的地球靜止軌道通信衛(wèi)星，重點(diǎn)研究在軌裝配與重構(gòu)衛(wèi)星的大型射頻反射器。

大型結(jié)構(gòu)的機(jī)器人裝配正在規(guī)劃中

大型結(jié)構(gòu)的自主裝配尚未實(shí)現(xiàn)成熟應(yīng)用，但已有多個(gè)計(jì)劃擬提供相關(guān)在軌裝配服務(wù)。2015年7月，NASA啟動(dòng)“大型結(jié)構(gòu)系統(tǒng)太空裝配”（SALSSA）項(xiàng)目，旨在實(shí)現(xiàn)大型模塊化結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在太空中的自動(dòng)裝配、服務(wù)保障、翻新、重構(gòu)以及再利用；該項(xiàng)目采用新型裝配與再設(shè)計(jì)模式，面向三類(lèi)可升級(jí)和重構(gòu)的系統(tǒng)：大型空間天文臺(tái)、太陽(yáng)能推進(jìn)系統(tǒng)的兆瓦級(jí)太陽(yáng)能電池陣以及火星任務(wù)組部件；NASA“臨界點(diǎn)”計(jì)劃下的“多功能太空機(jī)器人精密制造與裝配系統(tǒng)”（俗稱“建筑師”）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，“蜻蜓”項(xiàng)目同樣重點(diǎn)關(guān)注大型射頻反射器的在軌裝配與重構(gòu)。

“大型結(jié)構(gòu)系統(tǒng)太空裝配”項(xiàng)目概念圖

大型結(jié)構(gòu)的在軌制造處于地面試驗(yàn)演示階段

在地面建造并集成所有部件后，將航天器整體發(fā)射入軌的航天器制造模式昂貴且耗時(shí)，且航天器尺寸受火箭整流罩體積限制。2016年3月，“天鵝座”（Cygnus）飛船將太空制造公司研制的首臺(tái)商用“增材制造設(shè)備”（AMF）送入“國(guó)際空間站”。但該設(shè)備的尺寸有限，能夠制造的零部件尺寸也有限，而且適用于“國(guó)際空間站”外的完全真空環(huán)境下的增材制造技術(shù)尚在地面試驗(yàn)階段。美國(guó)系繩無(wú)限公司（TUI）正在研究的在軌制造系統(tǒng)——“蜘蛛制造”，將利用蜘蛛狀機(jī)器人在軌進(jìn)行大型空間結(jié)構(gòu)如天線、電池板、桁架和其他多功能結(jié)構(gòu)的制造與組裝。只需要將原材料送入軌道，即可由機(jī)器人利用增材制造技術(shù)在軌制造，并將制造的零部件裝配成大型系統(tǒng)?！爸┲胫圃臁币淹瓿蓹C(jī)器人樣機(jī)制造，進(jìn)行了地面演示，驗(yàn)證了“蜘蛛制造”概念關(guān)鍵工藝的基本可行性，正在制造第二代機(jī)器人原型。此外，“臨界點(diǎn)”計(jì)劃中的“建筑師”、“存儲(chǔ)與部署”立方體衛(wèi)星項(xiàng)目同樣采用了太空增材制造技術(shù)。

3 技術(shù)途徑

航天器組合層級(jí)的在軌裝配主要利用先進(jìn)傳感導(dǎo)航設(shè)備進(jìn)行交會(huì)對(duì)接實(shí)現(xiàn)；航天器的功能擴(kuò)展主要通過(guò)艙段與航天器交會(huì)對(duì)接或利用空間機(jī)器人對(duì)在軌航天器進(jìn)行模塊補(bǔ)加實(shí)現(xiàn)；對(duì)于整星組裝層次，“鳳凰”計(jì)劃通過(guò)細(xì)胞星模塊聚合和構(gòu)型重組的方式實(shí)現(xiàn)；對(duì)于模塊組裝層次，“鳳凰”計(jì)劃的細(xì)胞星模塊聚合方式同樣是典型代表；在軌制造主要通過(guò)真空增材制造設(shè)備或機(jī)器人在國(guó)際空間或在軌制造實(shí)現(xiàn)。

整星組裝與模塊組裝的技術(shù)途徑

以“鳳凰”計(jì)劃為代表的模塊組裝以基于“壁虎爪”粘附原理的技術(shù)為基礎(chǔ)，以細(xì)胞星模塊聚合方式組裝，將多個(gè)具有子系統(tǒng)級(jí)功能的單功能細(xì)胞星聚合成具有多個(gè)子系統(tǒng)功能的系統(tǒng)級(jí)細(xì)胞星，以及將系統(tǒng)級(jí)細(xì)胞星聚合成具有更強(qiáng)功能的系統(tǒng)級(jí)細(xì)胞星聚合體。

“鳳凰”計(jì)劃的整星組裝除了模塊聚合外，還利用服務(wù)航天器的“前端機(jī)器人使能近期演示驗(yàn)證”（FREND）機(jī)械臂和柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂等多個(gè)機(jī)械臂協(xié)同進(jìn)行構(gòu)型重組。機(jī)械臂將細(xì)胞星裝配到廢棄衛(wèi)星天線上，并將由廢棄衛(wèi)星天線和安裝在其上的細(xì)胞星一同切割下來(lái)，重新組成新衛(wèi)星。

在軌制造的技術(shù)途徑

目前在軌制造主要通過(guò)真空增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)。一是通過(guò)在“國(guó)際空間站”上的增材制造設(shè)備制造零部件，在軌真空增材制造區(qū)別于地面增材制造技術(shù)的核心在于保證真空環(huán)境下制造零部件的力學(xué)性能；二是通過(guò)在軌機(jī)器人制造。“蜘蛛制造”計(jì)劃中采用方案是具有增材制造功能的多臂機(jī)器人，該機(jī)器人從一個(gè)“噴絲器”排出并熔合碳纖維條，像地球上織網(wǎng)的蜘蛛一樣沿著桁架網(wǎng)絡(luò)爬動(dòng)，能以5cm/min的速度大量生產(chǎn)桁架并集成制造出整個(gè)物體。

4 發(fā)展趨勢(shì)

通過(guò)模塊化結(jié)構(gòu)發(fā)展航天器零部件的自主在軌裝配

在軌裝配標(biāo)準(zhǔn)模塊化的航天器結(jié)構(gòu)的技術(shù)復(fù)雜度更低、周期更短，更易實(shí)現(xiàn)航天器的零部件裝配應(yīng)用，多個(gè)計(jì)劃正在研究或驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)模塊化的設(shè)計(jì)思想。“鳳凰”計(jì)劃中的細(xì)胞星采用標(biāo)準(zhǔn)模塊化的設(shè)計(jì)理念，是模塊化在軌裝配的典型代表；工程試驗(yàn)衛(wèi)星-7、“試驗(yàn)衛(wèi)星系統(tǒng)”等多項(xiàng)在軌服務(wù)計(jì)劃演示驗(yàn)證了自主裝配可替換模塊技術(shù)；“存儲(chǔ)與部署”計(jì)劃亦從具有模塊化結(jié)構(gòu)的立方體衛(wèi)星為起點(diǎn)探索在軌裝配衛(wèi)星的可行性。

發(fā)展大型空間結(jié)構(gòu)的在軌制造與裝配

NASA發(fā)布的《在軌衛(wèi)星服務(wù)研究項(xiàng)目報(bào)告》表明，在太空中建成大型天文臺(tái)和深空探測(cè)補(bǔ)給站是美國(guó)在軌服務(wù)的遠(yuǎn)期目標(biāo)之一?！按笮徒Y(jié)構(gòu)系統(tǒng)太空裝配”、“蜘蛛制造”和“建筑師”等項(xiàng)目均在積極發(fā)展大型空間結(jié)構(gòu)的在軌建造與裝配。在軌裝配大型空間結(jié)構(gòu)，將使航天器結(jié)構(gòu)大小不再受限于運(yùn)載器的整流罩大小，推動(dòng)大型、高性能航天器的發(fā)展。

在軌制造技術(shù)將推動(dòng)在軌制造、組裝與部署一體化

傳統(tǒng)的在軌裝配技術(shù)需要將在地面制造好的結(jié)構(gòu)、艙段、航天器通過(guò)運(yùn)載器發(fā)射到軌道再進(jìn)行裝配，近年來(lái)真空增材制造技術(shù)的發(fā)展將變革航天器的在軌制造能力，有助于實(shí)現(xiàn)在軌制造、組裝與部署一體化，大幅降低研制發(fā)射成本和周期。NASA“臨界點(diǎn)”計(jì)劃下的3個(gè)“航天器與空間結(jié)構(gòu)的機(jī)器人太空制造與裝配”相關(guān)項(xiàng)目，以及“蜘蛛制造”和“存儲(chǔ)與部署”立方體衛(wèi)星項(xiàng)目均反映了在軌制造（尤其是增材制造）、組裝與部署一體化的發(fā)展趨勢(shì)。NASA的美國(guó)太空制造公司與納諾萊克斯公司的“存儲(chǔ)與部署”計(jì)劃有望以立方體衛(wèi)星作開(kāi)端，為航天器的在軌制造、組裝與部署一體化開(kāi)啟新篇章。