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

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。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、在軌組裝平臺設(shè)計、在軌組裝機(jī)器人以及在軌組裝綜合管理等。針對我國的技術(shù)現(xiàn)狀，提出了我國開展在軌組裝技術(shù)研究所需解決的問題和未來發(fā)展建議：應(yīng)重點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題。

在軌組裝；研究現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢；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)難以滿足未來深空探測、天文觀測、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)，再到大型獨立艙段的在軌對接，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)、可逐步升級等特性。

20世紀(jì)70年代末，隨著美國“天空實驗室”項目的提出［6］，國際上開始了對在軌組裝相關(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和空間機(jī)械臂組裝上，難以適用于大范圍、高精度、高危險性的在軌組裝任務(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 國外在軌組裝技術(shù)研究現(xiàn)狀與趨勢

在軌組裝系統(tǒng)由組裝對象、組裝工具組成，必要時還需組裝平臺參與完成任務(wù)。除在軌制造任務(wù)外，在軌組裝服務(wù)對象規(guī)?？蓜澐譃槿齻€層次［5］：1）兩個或多個獨立的航天器組裝成規(guī)模更大的空間結(jié)構(gòu)；2）艙段或模塊間的對接組裝，使之成為一個獨立的航天器或?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，本文將在軌組裝對象定位為空間基礎(chǔ)設(shè)施平臺、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

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

空間太陽能電站作為未來大型空間基礎(chǔ)設(shè)施平臺的典型應(yīng)用，主要由太陽能發(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級才能滿足商業(yè)運營需要［10?11］，整個空間電站質(zhì)量將達(dá)萬噸，太陽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)計階段［10］，但大尺寸太陽翼和天線在軌組裝技術(shù)已基于空間電站項目得到了廣泛研究［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算機(jī)模塊的成功在軌更換［13］，預(yù)示著功能模塊設(shè)計的在軌成功應(yīng)用，航天器上逐步開始引入可接受服務(wù)設(shè)計。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項目，對航天器的結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計展開研究，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年美國鳳凰計劃首次提出細(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，每一個“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“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NovaWurks公司研發(fā)的“細(xì)胞星初始任務(wù)驗證及經(jīng)驗”（SIMPL）試驗組件已到達(dá)國際空間站，包括6個HISat和兩個太陽能電池陣列，擬在國際空間站上進(jìn)行整星裝配后獨立在軌部署，將在2017年中進(jìn)行在軌技術(shù)驗證［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，該天線是國際上第一個模塊化設(shè)計的可展開天線，由14個六邊形模塊（板殼＋桁架結(jié)構(gòu)）組成，有效直徑13 m，形面精度2.4 mm，驗證了天線模塊化設(shè)計的可行性［18?19］。上世紀(jì)70年代，美國提出多種航天飛機(jī)輔助參與的30～100 m量級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)，針對不同的天線結(jié)構(gòu)，提出多種模塊化設(shè)計方案［21?24］，如圖3所示。2015年8月，美國勞拉公司從DAPRA獲得一份“蜻蜓”合同，在GEO軌道利用自身攜帶機(jī)器人實現(xiàn)衛(wèi)星大型射頻天線反射器的安裝與重構(gòu)，該項目列入NASA與工業(yè)界合作的臨界點計劃，以DARPA資助的“蜻蜓”項目為基礎(chǔ)，將開發(fā)地面演示驗證的方案［25］。

2）大尺寸光學(xué)載荷

哈勃望遠(yuǎn)鏡自1990年上天后，美國先后提出了多種新型太空望遠(yuǎn)鏡來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2018年應(yīng)用［26］。此外，美國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，組裝地點涵蓋空間站平臺、地月L2點以及日地 L2點，詳見圖 4［3，27?31］。DARPA在 2015?2016年財務(wù)預(yù)算中持續(xù)支持光學(xué)孔徑空間自組裝項目（OASIS），該項目旨在驗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］。該項目將模塊化部件作為單獨載荷發(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)計必須具備自我測量和調(diào)整能力。

3）大尺寸桁架

20世紀(jì)70年代，美國蘭利中心開始研究宇航員對桁架的在軌組裝，并進(jìn)行了大量的地面微重力試驗［4，34?35］。1985年 EASE （Experimental Assembly of Structures in EVA）任務(wù)中美國航天飛機(jī)成功完成對空間桁架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）項目，其核心是開發(fā)遙操作自由飛行機(jī)器人Ranger來替代航天員進(jìn)行組裝，但因為種種原因，機(jī)器人Ranger未上天進(jìn)行驗證［35］。

2.4組裝機(jī)器人技術(shù)

隨著對組裝對象研究地深入，美國等航天大國提出了多種組裝機(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)動平臺上的機(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，一是通過機(jī)器人上配置多個機(jī)械手和視覺系統(tǒng)方案；二是多個獨立的機(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”項目作為NASA在2015年11月為“臨界點”選取的3個在軌機(jī)器人制造與組裝航天器和結(jié)構(gòu)相關(guān)項目之一，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］。該項目擬研發(fā)具有3D打印功能的機(jī)械臂，并將其安裝在國際空間站外，將于2018年演示驗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)研究趨勢與小結(jié)

經(jīng)過多年的概念論證和技術(shù)評估，各航天大國逐漸意識到發(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)。組裝對象也由部件級逐步轉(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)場景的需求，對其提出自認(rèn)知、自學(xué)習(xí)、精細(xì)操作及大范圍移動能力的要求。

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。

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基于臨界點計劃選擇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)計將相關(guān)成熟度提升至臨界點以上，在利于實現(xiàn)NASA戰(zhàn)略目標(biāo)的同時，刺激在軌組裝商業(yè)航天市場需求。

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

美國的細(xì)胞化衛(wèi)星技術(shù)與德國的面向衛(wèi)星在軌服務(wù)的智能積木項目帶動了可組裝可重構(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)的在軌驗證［14?16］；2015年起，美國 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?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)實用化的技術(shù)途徑不明朗

美國在太空望遠(yuǎn)鏡（NNGST）、三十米太空望遠(yuǎn)鏡（TMST）等在軌組裝研究中沒有披露的可行性研究方案及路徑［3，27?30］；“臨界點”計劃中的相關(guān)方案和技術(shù)途徑無法知悉，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 國內(nèi)在軌組裝技術(shù)研究現(xiàn)狀與趨勢

3.1國內(nèi)在軌組裝技術(shù)研究現(xiàn)狀

國內(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)隊利用連接矩陣與分層規(guī)劃的思想，實現(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，提出等肋長法和空間圓包絡(luò)法［47?48］，浙江大學(xué)的關(guān)富玲對空間模塊化的可伸展結(jié)構(gòu)開展設(shè)計研究［49］，西安電子科技大學(xué)、中國空間技術(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)計研究方面，西北工業(yè)大學(xué)黃攀峰等對鳳凰計劃和iBOSS項目進(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)隊等對各階段航天器結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計方法進(jìn)行研究［52?53］，國防科技大學(xué)提出模塊化小衛(wèi)星自動測控系統(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)與中國運載火箭技術(shù)研究院利用重型運載火箭對LEO和GEO空間太陽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、陳金明對大型空間結(jié)構(gòu)的設(shè)計及在軌組裝的地面模擬實驗進(jìn)行了相關(guān)研究，為我國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接和模塊更換技術(shù)得到深入研究

依托我國空間站建設(shè)，國內(nèi)多家單位對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對接試驗、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)平臺等技術(shù)，取得了一定的成果，并在工程實踐中有所突破，為我國即將組建的空間站天空一號打下堅實的技術(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］、國防科技大學(xué)［54］等在模塊單元劃分及設(shè)計實現(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，離工程化實施距離大。

3）在軌組裝相關(guān)的原創(chuàng)性方法及思路少見

文獻(xiàn)可查的國內(nèi)在軌組裝技術(shù)研究大都是在國外研究的基礎(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題的方法及思路。

3.2國內(nèi)在軌組裝系統(tǒng)發(fā)展趨勢與啟示

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)的成熟直接影響對地成像、偵查預(yù)警及天文觀測等領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展，大力發(fā)展在軌組裝技術(shù)是未來航天領(lǐng)域發(fā)展的潛在共識。

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、成本高等問題仍未實現(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，國內(nèi)在軌組裝技術(shù)想要實現(xiàn)“彎道超車”，需重點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、高精度測量以及組裝動力學(xué)與控制等在軌組裝技術(shù)工程實用化的瓶頸問題。

4 在軌組裝關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢

在軌組裝技術(shù)作為未來航天器構(gòu)建的基礎(chǔ)共性技術(shù)，應(yīng)提前進(jìn)行技術(shù)儲備和攻關(guān)。不論從國內(nèi)還是國外來看，在軌組裝技術(shù)要走向?qū)嵱眠€有很長的路。在軌組裝急需解決的技術(shù)主要有以下四個方面：結(jié)構(gòu)模塊化及單元設(shè)計技術(shù)、在軌組裝平臺設(shè)計技術(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、成本效益等問題是實現(xiàn)在軌組裝技術(shù)工程化應(yīng)用轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵，針對上述對象開展結(jié)構(gòu)模塊化及單元設(shè)計可分解為四項研究內(nèi)容：

1）模塊化空間設(shè)施系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)。將航天器整體分解、優(yōu)化為若干相對獨立的功能單元，解決功能單元之間的耦合、簡化問題。

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題。雖然目前已提出一些模塊劃分方法，但對于不同尺寸結(jié)構(gòu)模塊不具有通用性［56］。

3）模塊單元構(gòu)型設(shè)計與優(yōu)化技術(shù)。將通用化的網(wǎng)格單元具體設(shè)計為系列化、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)通問題，大容差與易操作是接口設(shè)計的難點，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［26，39，57］。

4.2在軌組裝平臺設(shè)計技術(shù)

組裝平臺的構(gòu)型布局將影響其任務(wù)能力，大型設(shè)施在組裝過程中存在精度校核、耦合振動等問題，傳統(tǒng)的平臺設(shè)計理論已不再適用，上述問題對未來在軌組裝平臺提出了實時測量和控制等要求。

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

2）在軌組裝全局／局部測量技術(shù)。復(fù)雜空間環(huán)境中在軌組裝、運行過程系統(tǒng)全局和局域的高精度、高頻率測量，解決測量的高精度和實時性問題。

3）在軌組裝過程動力學(xué)與控制技術(shù)。組裝過程模塊傳遞、連接、整器姿態(tài)轉(zhuǎn)換等引起的動力學(xué)問題的識別與控制，解決組裝平臺動力學(xué)穩(wěn)定問題。

4）空間環(huán)境影響機(jī)制及控制研究。在軌組裝材料、運動副等在微重力、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)長壽命與可靠性等問題。

4.3在軌組裝機(jī)器人技術(shù)

近幾年來，空間機(jī)器人在在軌服務(wù)技術(shù)的帶動下發(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)操作及大范圍移動能力方向發(fā)展，其研究可分解為四項研究內(nèi)容：

1）機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計。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、實時控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)等問題。

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)識別與定位。解決組裝過程中合作目標(biāo)及非合作目標(biāo)的精確測量及識別問題，實現(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)同操作時運動和力協(xié)調(diào)的問題，解決多個機(jī)器人協(xié)同作業(yè)時任務(wù)、運動、力協(xié)調(diào)問題。

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、以及后期性能評估和健康管理，其研究可分解為四項研究內(nèi)容：

1）組裝序列與路徑規(guī)劃技術(shù)。基于空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的模塊組裝序列規(guī)劃及運行軌跡優(yōu)化，解決以總體精度和效率等為目標(biāo)的序列路徑規(guī)劃問題。

2）在軌組裝任務(wù)仿真與優(yōu)化技術(shù)。針對典型任務(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)計中的矛盾沖突、流程優(yōu)化問題。

3）組裝誤差補(bǔ)償與控制技術(shù)?；谌譁y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題。

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

實現(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、組裝平臺設(shè)計、組裝機(jī)器人設(shè)計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)計與協(xié)同操控、組裝過程動力學(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)是未來大型空間結(jié)構(gòu)建造的使能技術(shù)，目前，國際上已開展多個針對大型天線、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)計上。未來在軌組裝技術(shù)實用化，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、高精度測量以及組裝動力學(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

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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

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項目（51505295）

沈曉鳳，女，碩士，工程師，研究方向為航天器在軌服務(wù)總體技術(shù)。E?mail：xfshen1986＠126.com