王明明，羅建軍，袁建平，王嘉文，劉聰

1. 西北工業(yè)大學(xué) 深圳研究院，深圳 518057 2. 西北工業(yè)大學(xué) 航天動力學(xué)國家重點實驗室，西安 710072

對太空的爭奪已經(jīng)成為世界各國科技戰(zhàn)略競爭新的制高點。2019年2月19日，美國總統(tǒng)特朗普簽署《空間戰(zhàn)略4號總統(tǒng)令》(Space Policy Directive 4)，正式宣布組建美國第6軍種——太空軍，明確要求優(yōu)先發(fā)展彈性、重建和作戰(zhàn)能力以確保空間控制權(quán)?？臻g飛行器在軌服務(wù)和維護(hù)技術(shù)與系統(tǒng)已列入中國的重大發(fā)展計劃。為提早占領(lǐng)空間技術(shù)與應(yīng)用高地，各國競相發(fā)展在軌維修/更換、在軌加注及在軌裝配等相關(guān)空間技術(shù)[1]。針對在軌維修/更換任務(wù)，利用空間靈巧機(jī)械臂操控技術(shù)，典型的空間任務(wù)有日本的“ETS-VII(Engineering Test Satellite-VII)”、美國的“軌道快車(Orbital Express)”與“鳳凰”(Phoenix)、德國的ROTEX(RObot Technology EXperiment)與DEOS(Deutsche Orbital Servicing mission)項目等[2]。在軌加注方面，2015年美國國家航空航天局(NASA)使用加拿大航天局的Dextre機(jī)器人于國際空間站開展了機(jī)器人燃料加注的在軌演示驗證[3]。2019年諾思羅普·格魯曼公司成功發(fā)射了MEV-1(Mission Extension Vehicle-1)在軌服務(wù)衛(wèi)星[4]，并于2020年2月與國際通信衛(wèi)星組織的通信衛(wèi)星Intelsat-901成功對接，使這顆在軌近19年的通信衛(wèi)星壽命再延長5年。2016年國防科技大學(xué)自主研制的“天源一號”衛(wèi)星在軌加注實驗載荷[5]，成功完成微重力條件下流體管理與加注、高精度推進(jìn)劑測量等多項在軌實驗，為中國首個衛(wèi)星在軌加注飛行試驗系統(tǒng)。2017年，中國首艘貨運(yùn)飛船天舟一號成功發(fā)射進(jìn)入太空[6]，和天宮二號實現(xiàn)了交會對接并完成了推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加試驗，為中國后續(xù)大型空間站建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。以上飛行試驗任務(wù)有效驗證了在軌服務(wù)與維護(hù)的關(guān)鍵技術(shù)，極大地拓展了未來航天任務(wù)的范圍。

在軌裝配方面，其相關(guān)技術(shù)是開展在軌維護(hù)的重要支撐?；谠谲壯b配技術(shù)實現(xiàn)在軌維護(hù)的典型任務(wù)有日本的ETS-VII、美國的“軌道快車”“試驗衛(wèi)星系統(tǒng)”“鳳凰”計劃和哈勃望遠(yuǎn)鏡在軌維護(hù)等。最具代表性的哈勃望遠(yuǎn)鏡，其在設(shè)計初期即充分考慮了常規(guī)在軌維護(hù)與設(shè)備升級的情形。從1993—2009年的十余年間，哈勃望遠(yuǎn)鏡接受了包括維修、更換故障部件、設(shè)備升級及安裝新測量元件共計5次的服務(wù)任務(wù)。2016年中國利用柔性機(jī)械臂與仿人靈巧手，在天宮二號空間站開展了人機(jī)協(xié)同在軌操控試驗[7]，主要面向航天裝備在軌裝配和拆卸任務(wù)，為空間機(jī)器人在軌服務(wù)積累了前期經(jīng)驗。

此外，代表國家科技實力的空間站、空間望遠(yuǎn)鏡[8]、大型通信天線[9]、空間太陽能電站[10]、在軌燃料補(bǔ)給站[11]、深空探測中轉(zhuǎn)站[12]及地外基地[13]等空間大型平臺和基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)需求日益迫切，近期各國航天機(jī)構(gòu)積極開展月球/火星等的探測，對月面站/火星站等提出了建設(shè)大型基地的迫切需求。未來需求的典型空間大型平臺和基礎(chǔ)設(shè)施如圖1[8-13]所示。

圖1 典型空間大型平臺和基礎(chǔ)設(shè)施[8-13]Fig.1 Traditional large space platforms and infrastructures[8-13]

然而，受到火箭運(yùn)載能力、整流罩包絡(luò)及結(jié)構(gòu)復(fù)雜度的約束，空間大型平臺難以一次建造發(fā)射升空，因此，需要在軌裝配技術(shù)的支持?？臻g在軌裝配是指在太空中將不同的部件連接起來，構(gòu)建成為一個由結(jié)構(gòu)、子系統(tǒng)或子系統(tǒng)的單元體等組成的空間設(shè)施，或者把一個或多個結(jié)構(gòu)分立后進(jìn)行重新組合[14]。在軌裝配的具體任務(wù)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，大到大型獨(dú)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。在軌裝配擴(kuò)大了航天設(shè)計任務(wù)的空間，增加了人類太空活動的多樣性，拓展了人類探索空間的邊界[15]。

工業(yè)流水線上的機(jī)器人生產(chǎn)、裝配活動需要現(xiàn)場工程師、精確校準(zhǔn)及嚴(yán)格受控的工作環(huán)境，而在軌裝配任務(wù)工作條件惡劣，基本不具備上述條件。作為一項空間使能技術(shù)，在軌裝配對于未來科學(xué)與技術(shù)的拓展應(yīng)用至關(guān)重要。此外，國家安全已由陸地安全、海洋安全延伸到空間領(lǐng)域和信息領(lǐng)域。在軌裝配技術(shù)的進(jìn)步將有效改變現(xiàn)有的空間建造、操控、維護(hù)等的任務(wù)范式，大大拓展空間探索的邊界；對于國家的空間戰(zhàn)略設(shè)施維護(hù)、空間安全保障也具有重要的現(xiàn)實意義。

自20世紀(jì)60年代起，空間在軌裝配技術(shù)就登上了航天的舞臺，距今已有60余年的發(fā)展歷程。近年來，國外航天研究機(jī)構(gòu)，尤其是美國進(jìn)行了多次與航天器在軌服務(wù)相關(guān)的技術(shù)試驗，并在此基礎(chǔ)上制定和規(guī)劃了多個針對空間大型設(shè)施在軌裝配的演示驗證項目[16]，中國也初步開展了與在軌服務(wù)相關(guān)的技術(shù)試驗與預(yù)先研究。NASA Goddard空間飛行中心的綜述調(diào)研報告[11]分析了在軌服務(wù)的重要性、現(xiàn)狀和發(fā)展方向。從相關(guān)項目、計劃和調(diào)研報告中不難看出國外對此類研究的重視程度，并得出未來空間在軌裝配與建造的發(fā)展方向：從有人裝配向無人裝配發(fā)展、從非自主向自主方向發(fā)展、從小型結(jié)構(gòu)向大型結(jié)構(gòu)裝配方向發(fā)展、從零件拼裝式向在軌生產(chǎn)與建造方向發(fā)展。隨著增材制造、空間機(jī)器人及人工智能等技術(shù)的不斷發(fā)展，在軌裝配技術(shù)將發(fā)揮出更大的潛力，并拓展其應(yīng)用于更多的領(lǐng)域。

1 國外在軌裝配研究現(xiàn)狀

1.1 有人在軌裝配

在軌裝配的需求首先源自宇航員在空間中生活、居住與工作需求。在人類探索太空的早期，由于自主化與智能化技術(shù)的限制，在軌裝配需要宇航員通過危險的出艙活動來執(zhí)行。美國的首艘空間站Skylab可被認(rèn)為是人類在復(fù)雜太空環(huán)境中第1次在軌裝配/建造嘗試，其在軌期間，宇航員出艙完成了熱防護(hù)罩的更換與太陽能帆板的輔助展開[11]。

蘇聯(lián)的MIR空間站是人類歷史上第1個在軌裝配的模塊化空間站[17]?？臻g站的每個模塊單獨(dú)發(fā)射升空，并連接到核心艙的對接口。其他的外部結(jié)構(gòu)包括桁架結(jié)構(gòu)、實驗艙等由宇航員輔助裝配完成。哈勃望遠(yuǎn)鏡是人類歷史上執(zhí)行在軌裝配任務(wù)的典型案例，1990年其由“發(fā)現(xiàn)者”號航天飛機(jī)發(fā)射升空后，先后出現(xiàn)鏡片故障、電池/陀螺儀壽命到期及技術(shù)升級等問題。得益于起初的可維修性設(shè)計，1993年，通過宇航員艙外活動與航天飛機(jī)上的加拿大臂共同配合，由加拿大臂運(yùn)送宇航員接近哈勃望遠(yuǎn)鏡的維修位置，對哈勃望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行了首次維修——更換了廣角和行星照相儀；1997—2009年間，又有4次有人維修飛行任務(wù)，先后更換和修復(fù)了紅外照相機(jī)、多目標(biāo)分光儀、絕緣層、陀螺儀、測繪照相機(jī)、太陽能電池板和電力控制裝置等設(shè)備。5次在軌任務(wù)均取得完全成功，從而延長了在軌天文臺在太空惡劣環(huán)境中的壽命，充分驗證了在軌裝配的可行性與有效性。

國際空間站是目前為止最復(fù)雜的國際合作在軌裝配項目[18]，涉及13個主要艙段，總體積425 m3，包括加壓艙、桁架結(jié)構(gòu)、太陽能電池陣、對接口、實驗艙及空間機(jī)械臂等。國際空間站的補(bǔ)給主要通過航天飛機(jī)(美國)、進(jìn)步飛船(俄羅斯)及自主轉(zhuǎn)移飛行器(歐洲)共同完成。其建造通過空間站上的機(jī)械臂Canadarm 2和宇航員的艙外活動完成。1985年，美國在STS-61-B航天任務(wù)中執(zhí)行了EASE/ACCESS的裝配驗證項目[19]。該項目在航天飛機(jī)的貨艙中，通過空間手動裝配13.7 m長的大型桁架結(jié)構(gòu)測試宇航員在軌裝配的有效程度并積累在軌建造的經(jīng)驗。

除了宇航員在軌執(zhí)行裝配任務(wù)外，自1970年至2000年，NASA蘭利研究中心(LaRC)開展了地面1g和模擬微重力(中性浮力水池)環(huán)境下的大型空間結(jié)構(gòu)有人裝配研究。代表性的實驗有手動裝配正四面體單元[20]、四面體桁架梁移動裝配[21]、空間站自由桁架移動裝配[22]、精密分段反射桁架和面板裝配[23]等。

從有人在軌裝配的項目中得到的經(jīng)驗是：固定宇航員的足部解放了宇航員的雙手，相較于自由漂浮使得宇航員的艙外活動更為容易。需要輔助的移動裝置使宇航員移動至工作位置從而降低工作壓力和疲勞程度。工業(yè)生產(chǎn)中的裝配流水線流程可用于在軌裝配任務(wù)中，此外，需要設(shè)計裝配連接器便于宇航員單手操作等。

1.2 無人在軌裝配

航天員手動裝配有一定的局限性，只能勝任任務(wù)量小、時間短、環(huán)境較為簡單的裝配任務(wù)。對于未來結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積巨大、安裝環(huán)境惡劣、精度要求高的空間裝配任務(wù)，航天員手動裝配無法滿足任務(wù)要求。無人在軌裝配具備經(jīng)濟(jì)性高、風(fēng)險低等優(yōu)點，因此得到了廣泛關(guān)注。自20世紀(jì)70年代以來，美國NASA蘭利研究中心、歐洲航天局(ESA)和日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)(JAXA)等諸多科研機(jī)構(gòu)紛紛開展空間結(jié)構(gòu)自主構(gòu)建的技術(shù)研究(如圖2[24-32]所示)。

圖2 無人在軌裝配示例[24-32]Fig.2 Unmanned in-orbit assembly missions[24-32]

利用機(jī)械臂進(jìn)行模塊更換已經(jīng)較為成熟。1997年日本的工程實驗衛(wèi)星ETS-VII發(fā)射升空，通過可更換模塊模擬多種模塊的在軌更換，驗證了桁架組裝及試驗天線裝配等技術(shù)。美國國防高級研究計劃局(DARPA)資助的“軌道快車”計劃完成了服務(wù)星與目標(biāo)星的自主交會對接、更換電源模塊和更換姿控計算機(jī)模塊等的演示任務(wù)；“試驗衛(wèi)星系統(tǒng)”(XSS)計劃中的XSS-12，采用一顆小衛(wèi)星為母星提供非對接繞飛服務(wù)，另一顆小衛(wèi)星與母星對接，實質(zhì)上為母星與可更換模塊間的對接試驗。

20世紀(jì)90年代早期，NASA蘭利研究中心的科研人員開始著手開發(fā)一套遙控機(jī)器人空間桁架結(jié)構(gòu)裝配系統(tǒng)，用來裝配一個由12塊面板和102根支柱組成的、直徑8 m的桁架結(jié)構(gòu)[33]。隨后，很多研究機(jī)構(gòu)和人員致力于全自主空間機(jī)器人系統(tǒng)的相關(guān)研究。1985年直立空間結(jié)構(gòu)裝配進(jìn)行成功的飛行試驗之后，ORNL(Oak Ridge National Laboratory)論證了采用相似硬件和空間遙控機(jī)器人進(jìn)行裝配構(gòu)建的可行性[34]。馬里蘭大學(xué)開發(fā)了用于大型空間結(jié)構(gòu)在軌裝配、檢查和維護(hù)任務(wù)的自主機(jī)器人系統(tǒng)[35]。卡內(nèi)基梅隆大學(xué)設(shè)計的Skyworker空間結(jié)構(gòu)附屬移動機(jī)械臂，可以在幾公里范圍里運(yùn)輸和操縱從公斤級到噸級的有效載荷[24]。NASA噴氣推進(jìn)實驗室設(shè)計了一種小型、靈活的六足行走機(jī)器人LEMUR，用來在空間結(jié)構(gòu)上狹小區(qū)域里執(zhí)行復(fù)雜的、精細(xì)的裝配、檢查和維護(hù)任務(wù)[25]。NASA約翰遜航天中心正在開發(fā)可應(yīng)用于國際空間站的人形空間機(jī)器人Robonaut2，可以直接使用為宇航員設(shè)計的裝配工具進(jìn)行空間作業(yè)[26]。

2012年，DARPA啟動了Phoenix計劃，該計劃設(shè)想發(fā)射模塊化的“細(xì)胞星”進(jìn)入地球靜止軌道，利用空間機(jī)器人對航天器進(jìn)行部件修理、置換和升級[27]。此外，DARPA啟動了地球同步軌道衛(wèi)星機(jī)器人服務(wù)(RSGS)[28]，將建造太空機(jī)器人維護(hù)同步軌道衛(wèi)星，用于自主更換與修復(fù)受損硬件，并可拓展其應(yīng)用于在軌裝配。美國系繩無限公司(TUI)提出了一種在軌制造系統(tǒng)“SpiderFab”，將增材制造和機(jī)器人裝配技術(shù)結(jié)合，通過類似蜘蛛結(jié)網(wǎng)的方式構(gòu)建大型空間桁架結(jié)構(gòu)[29]，該項目受到了NASA創(chuàng)新先進(jìn)概念基金的資助。2015年7月，NASA啟動了“大型結(jié)構(gòu)系統(tǒng)太空裝配”(SALSSA)項目[36]，以期實現(xiàn)大型模塊化結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在太空的自動裝配、服務(wù)、翻新、重構(gòu)及再利用，主要面向大型空間天文臺、太陽能電池陣列及火星任務(wù)組部件。同期，在美國DARPA支持下，勞拉空間系統(tǒng)公司(SSL)啟動了裝配地球靜止軌道通信衛(wèi)星的“蜻蜓”(Dragonfly)項目[30]，重點研究在軌裝配與重構(gòu)衛(wèi)星的大型射頻反射器。2015年11月，NASA在Tipping Point計劃中[31]對“航天器與空間結(jié)構(gòu)的機(jī)器人太空制造與裝配”(Arichnaut，即“建筑師”)主題進(jìn)行了規(guī)劃，并與勞拉空間系統(tǒng)公司進(jìn)一步合作，積極開展Dragonfly項目的地面演示和飛行演示驗證。2020年2月，NASA將Dragonfly項目與在軌加注的Restore-L項目合并，命名為OSAM-1(On-orbit Servicing, Assembly & Manufacturing mission-1)，計劃于2023年發(fā)射。2016年，ESA開展了立方星在軌自主裝配成大型航天器的技術(shù)研發(fā)[37]。

除上述各航天機(jī)構(gòu)提出的無人在軌裝配驗證方案，近年來，尚有一些其他的概念性方案提出，例如超集成衛(wèi)星[38]、中國空間站[39]、Shady 3D[40]以及機(jī)器人可重構(gòu)桁架[41]等。

在軌裝配過程中，移動各裝配單元到達(dá)指定位置并進(jìn)行裝配操控有4種不同的方法：

1) 自主飛行模塊

每一個裝配單元都具有機(jī)動能力，每一次裝配即為一個裝配單元與裝配體之間的交會對接。其優(yōu)勢在于具有高度的靈活性，但是大量的交會對接提高了任務(wù)的風(fēng)險與復(fù)雜性，并且每個裝配單元具有推進(jìn)及對接模塊，增加了任務(wù)的成本。MIR空間站[17]、國際空間站[42]、天宮空間站[39]和巨型軌道天文望遠(yuǎn)鏡(GOAT)任務(wù)[43]等都屬于此類。

2) 自裝配空間機(jī)器人

機(jī)械臂作為操作主體剛性地連接到一個衛(wèi)星基座上。裝配時以衛(wèi)星基座為中心，機(jī)械臂將裝配單元裝配在指定位置。其優(yōu)勢在于機(jī)械臂和裝配體之間是剛性連接，可靠性較好。但是其可裝配的裝配體體積受到機(jī)械臂工作空間的限制，增大機(jī)械臂的體積則會增加火箭運(yùn)載負(fù)擔(dān)。其典型案例包括機(jī)器人裝配與服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施(CIRAS)[32]、加拿大臂[44]和日本H-II貨運(yùn)飛船(HTV)[45]等。

3) 自由飛行裝配機(jī)器人

自由飛行裝配機(jī)器人的組成依然為衛(wèi)星基座與剛性連接在其上的機(jī)械臂，但是與自裝配機(jī)器人的區(qū)別在于不需要以自身為中心進(jìn)行裝配。此方法可以更加方便地組裝大型結(jié)構(gòu)，并且可以實現(xiàn)多機(jī)器人協(xié)同作業(yè)。但是裝配結(jié)構(gòu)的復(fù)雜會導(dǎo)致機(jī)器人自由飛行困難增加，并且對導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制(GNC)及近距離操作技術(shù)提出了很高的要求。前文所述ETS-VII、軌道快車、Phoenix、RSGS、Arichnaut和Dragonfly等項目以及麻省理工學(xué)院(Massachusetts Institute of Technology，MIT)[46]、加州理工學(xué)院[47]、南京航空航天大學(xué)[48]等都對其進(jìn)行了研究。

4) 附著型裝配機(jī)器人

附著型裝配機(jī)器人可以附著在裝配體上進(jìn)行移動與裝配操作，通過標(biāo)準(zhǔn)化的接口與裝配體連接。由于整個裝配過程機(jī)器人均剛性連接在裝配體上，具有可靠性高、運(yùn)動性強(qiáng)、操作簡單的優(yōu)點，是目前最具有潛力的在軌裝配解決方案。Skyworker、LEMUR、SpiderFab和SIROM(Standard Interface for Robotic manipulation of payloads in future space Missions)[49]等項目，以及用于裝配的蠕蟲機(jī)器人[50]和BILL-E機(jī)器人[51]都采取此種方法?；谀K化和標(biāo)準(zhǔn)化的iBOSS[52]項目也為此技術(shù)的未來發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。

1.3 在軌裝配層次

在軌裝配技術(shù)是低成本快速部署航天器的重要途徑，對于推動大型高性能航天器的發(fā)展具有重要意義。根據(jù)在軌裝配任務(wù)對象的規(guī)模和裝配任務(wù)的復(fù)雜度，可以大致劃分為5個任務(wù)層級(如表1[18,27-32,43,53-59]所示)，從高到低包括航天器組合、功能擴(kuò)展、整星組裝、模塊組裝和在軌制造[14]。根據(jù)目前的理論技術(shù)發(fā)展情況，除了航天器組合層級的自主裝配技術(shù)較為成熟，其他任務(wù)層級的相關(guān)技術(shù)均處于演示驗證或規(guī)劃研發(fā)階段。其中，模塊組裝層級的技術(shù)是目前美國及歐洲多個計劃項目的重點研究對象。

表1 在軌裝配層次[18,27-32,43,53-59]Table 1 Hierarchy of in-space assembly[18,27-32,43,53-59]

國際空間站是航天器組合層次最具代表性的項目，自從1998年發(fā)射開始，發(fā)射及組裝了眾多的艙段、桁架及機(jī)械臂等結(jié)構(gòu)。并且，支援飛船定期接送宇航員，運(yùn)送空間站必需的貨物。DARPA提出的“軌道快車”計劃是功能拓展層次的代表項目。該計劃包括兩顆衛(wèi)星，一顆稱為“自主空間運(yùn)輸與機(jī)器人軌道器”，亦即追蹤星；另一顆稱為“目標(biāo)星”，用來模擬失效衛(wèi)星。該計劃主要驗證了在軌裝配、非合作目標(biāo)交會、失效衛(wèi)星燃料補(bǔ)給、更換衛(wèi)星部件等技術(shù)。英國薩里航天中心提出了GOAT項目，此項目是整星組裝層次的代表，該機(jī)構(gòu)給出了直徑25 m的大型空間望遠(yuǎn)鏡構(gòu)建的方法，帶有鏡面的裝配單元通過交會對接完成模塊的裝配。NASA蘭利研究中心提出的CIRAS計劃是模塊組裝層次的代表項目，由一個展開長度為15 m的遠(yuǎn)距離操作輕型機(jī)械臂TALISMAN與精密操作機(jī)器人IPJR組成，該機(jī)構(gòu)已經(jīng)完成桁架結(jié)構(gòu)與太陽能電池陣列的組裝實驗。NASA提出的SpiderFab項目是在軌制造層次的代表項目，其核心是一個具有多機(jī)械臂的機(jī)器人，其中一個機(jī)械臂可以在軌進(jìn)行3D打印制造結(jié)構(gòu)單元，然后該機(jī)器人再將打印好的結(jié)構(gòu)單元裝配為大型空間結(jié)構(gòu)。該技術(shù)結(jié)合原位資源利用技術(shù)，可以實現(xiàn)行星表面就地取材進(jìn)行建造的愿景。利用標(biāo)準(zhǔn)化接口和模塊化設(shè)計，iBOSS項目制造出在軌服務(wù)可重構(gòu)和組裝航天器，該項目提出的標(biāo)準(zhǔn)化接口為模塊化在軌裝配的未來發(fā)展奠定了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

1.4 發(fā)展路線圖

通過對國外在軌裝配技術(shù)進(jìn)行回溯分析，在軌裝配的發(fā)展路線如圖3所示。從發(fā)展路線圖中可以看出如下的發(fā)展趨勢：

圖3 空間在軌裝配任務(wù)發(fā)展圖Fig.3 Technical developing route map of in-orbit space assembly

1) 應(yīng)用空間機(jī)器人裝配空間大型平臺與基礎(chǔ)設(shè)施是航天技術(shù)的主流方向之一，由航天員出艙活動直接進(jìn)行裝配的任務(wù)將逐步減少。

2) 裝配航天器的零部件從單一化逐步向模塊化結(jié)構(gòu)發(fā)展。

3) 在軌裝配規(guī)模向大型化、遠(yuǎn)程化、智能化發(fā)展。

4) 在軌裝配技術(shù)正推動在軌制造、組裝與部署向一體化發(fā)展。

1.5 在軌裝配方法

對于空間大型結(jié)構(gòu)的在軌裝配，通過對已有項目的歸納可以得出3種方法：可展開結(jié)構(gòu)構(gòu)建、可直立結(jié)構(gòu)構(gòu)建與太空成型結(jié)構(gòu)構(gòu)建[60]。3類構(gòu)建方法各有優(yōu)缺點，其主要區(qū)別在于發(fā)射火箭的外包絡(luò)體積、可靠性、經(jīng)濟(jì)性及裝配完整結(jié)構(gòu)的功能效果。

1) 可展開結(jié)構(gòu)構(gòu)建

在地面上制造、折疊包裝在運(yùn)載火箭中運(yùn)輸?shù)杰壍郎?，入軌后?zhí)行結(jié)構(gòu)展開。這為空間大型結(jié)構(gòu)(10 m左右直徑)或中等基線結(jié)構(gòu)(15～50 m)提供了較好的解決方案?？捎米髦舞鞐U、天線支撐桿、大型平面桁架、大型多孔徑反射鏡和太陽能帆板等。其優(yōu)點是可適配運(yùn)載工具的載荷體積、節(jié)約質(zhì)量并無需艙外活動；缺點在于任務(wù)單一且風(fēng)險大，一旦展開無法改變?nèi)蝿?wù)，若未展開將導(dǎo)致航天器整體失效，結(jié)構(gòu)復(fù)雜性降低了部件的結(jié)構(gòu)效率和系統(tǒng)的可靠性。

2) 可直立結(jié)構(gòu)構(gòu)建

在軌道上將直立零部件依次裝配起來形成大型結(jié)構(gòu)，部件在地面制造并包裝放入運(yùn)載工具。入軌后，可通過宇航員/機(jī)器人進(jìn)行裝配。其優(yōu)點在于緊湊的包裝能力、增強(qiáng)的多功能性和擴(kuò)展能力、維護(hù)和修理適應(yīng)性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)相對簡單，具有構(gòu)建超大型結(jié)構(gòu)(>100 m)的能力；缺點在于當(dāng)前機(jī)器人技術(shù)尚未滿足經(jīng)濟(jì)性與可靠性的要求。

3) 太空成型結(jié)構(gòu)構(gòu)建

在軌道上將未加工的材料進(jìn)行現(xiàn)場原位制造，生成在軌裝配所需的零部件。其優(yōu)點在于原材料運(yùn)載包裝密度高、在軌裝配任務(wù)靈活度大；缺點是加工過程自動化可靠性低，需要額外的裝配活動。對于應(yīng)急零件更換任務(wù)是較好的解決方案。

結(jié)合當(dāng)前的技術(shù)成熟度，可直立結(jié)構(gòu)構(gòu)建方法(對應(yīng)整星組裝與模塊組裝層次)具有結(jié)構(gòu)簡單、包裝效率高和靈活裝配等特點，成為目前各在軌裝配演示驗證項目采用的主流方法。

2 中國在軌裝配研究現(xiàn)狀

隨著中國未來空間站建設(shè)、月球和火星探測計劃的實施，以及其他空間科學(xué)計劃的推進(jìn)，國家對超大型空間基礎(chǔ)設(shè)施在軌裝配的任務(wù)需求尤為迫切。哈爾濱工業(yè)大學(xué)是中國最早開展在軌裝配技術(shù)研究的單位之一。劉宏團(tuán)隊開展了基于模塊更換的空間機(jī)械臂相關(guān)技術(shù)攻關(guān)，包括多臂協(xié)同捕獲、仿生靈巧手和末端執(zhí)行器等[61-63]。郭繼峰等[64-66]針對大型桁架在軌裝配的任務(wù)規(guī)劃提出了利用連接矩陣與分層規(guī)劃的思路，相關(guān)的研究結(jié)果有效解決了利用機(jī)器人自主裝配序列生成問題。于曉強(qiáng)和鄭紅星[67]提出了基于擴(kuò)展一致性的拍賣算法，在考慮裝配過程中運(yùn)輸、安裝等任務(wù)的時間先后特性及多航天器協(xié)同完成的任務(wù)約束條件下，解決在軌裝配任務(wù)分配問題。徐文福等[68]針對模塊在軌更換任務(wù)，改進(jìn)了傳統(tǒng)的R-C(Raibert-Craig)力位混合控制方法，實現(xiàn)了空間機(jī)器人操控中的力控制與位置控制的平滑切換。在空間大型載荷研究方面，劉兆晶[69]和田大可[70]開展了模塊化可展開拋物面天線支撐機(jī)構(gòu)的設(shè)計，提出了等肋長法和空間圓包絡(luò)法。時月天等[71]針對空間太陽能電站由薄膜-桁架模塊的在軌組裝提出了一種可在薄膜和桁架表面爬行的足式機(jī)器人，結(jié)合自然界具有高攀爬能力的生物足端微結(jié)構(gòu)，開展了機(jī)器人微結(jié)構(gòu)修飾足特性的附著特性研究。

航天器模塊化設(shè)計研究方面，西北工業(yè)大學(xué)的劉更團(tuán)隊[72-73]對航天器模塊化設(shè)計進(jìn)行了梳理，并基于虛擬樣機(jī)技術(shù)，建立了一種支持在軌展開的航天器模塊化構(gòu)型。黃攀峰等[74]提出了面向在軌服務(wù)與維護(hù)的可重構(gòu)細(xì)胞衛(wèi)星技術(shù)方案；中國空間技術(shù)研究院的馬小飛等[75-76]提出了一種單元拼接式天線的模塊設(shè)計方案和新型的六邊形單元展開方案，用于大型模塊化天線發(fā)射器在軌裝配。國防科技大學(xué)付偉達(dá)等[77]提出了模塊化小衛(wèi)星自動測控系統(tǒng)構(gòu)建方案。中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所朱嘉琦等[78]針對空間望遠(yuǎn)鏡的在軌裝配設(shè)計了裝配機(jī)器人及子鏡組裝分系統(tǒng)的地面驗證方案。王洪亮等[79]設(shè)計了針對空間紅外望遠(yuǎn)鏡的遮陽罩方案。

在軌裝配的關(guān)鍵技術(shù)研究方面，中國空間技術(shù)研究院丁繼鋒等[80]分析了空間微重力、高真空和極端溫度環(huán)境下加工過程中材料的受力和運(yùn)動行為，以及在軌建造過程中的激勵和擾動源、動力學(xué)分析與控制的力學(xué)問題等。北京宇航系統(tǒng)工程研究所楊自鵬等[81]提出了多任務(wù)服務(wù)航天器的方案設(shè)想，以降低在軌服務(wù)操作的難度。中國科學(xué)院數(shù)學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)研究院李政陽等[82]針對空間的分布式制造提出求解該分布式調(diào)度問題的基于易理優(yōu)化的模因算法。鄧雅等[83]給出了一種基于阻抗控制的無視覺在軌柔順裝配方法。張玉良等[84]提出采用構(gòu)建航天器數(shù)字孿生體的方式抽象表達(dá)航天器完成在軌裝配的過程、狀態(tài)和行為。

2016年，中國通過利用“天宮二號”上的機(jī)械臂開展遙操作試驗，驗證了空間遙控機(jī)器人裝配的相關(guān)技術(shù)；但自主在軌裝配的研究才剛起步，目前為止尚無具體的飛行驗證與在軌試驗?？梢钥闯觯袊诖朔较虻难芯可刑幱谄鸩诫A段，以跟蹤性研究為主，創(chuàng)新體系化的方案較少。隨著中國空間太陽能電站、大型天線和深空探測等項目的深入論證，大型結(jié)構(gòu)在軌裝配的系統(tǒng)性研究將逐步進(jìn)入工程化實施階段。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 技術(shù)需求

對于在軌裝配任務(wù)最迫切的技術(shù)需求包括模塊化設(shè)計、模塊間機(jī)電連接接口、帶靈巧末端執(zhí)行器的裝配機(jī)器人和地面裝配驗證技術(shù)[85-86]。上述技術(shù)需求亦包含在NASA 30年的航天發(fā)展路線圖中[87]。應(yīng)用質(zhì)量機(jī)能展開(Quality Function Development，QFD)方法[88]如表2所示，在軌裝配任務(wù)的技術(shù)需求可以通過建立優(yōu)先隊列并分類獲得。

在軌裝配涉及方案設(shè)計、在軌操控和地面驗證3個部分，而與核心功能對應(yīng)的使能技術(shù)分別為系統(tǒng)架構(gòu)、裝配機(jī)器人/控制技術(shù)/接口技術(shù)和建模/仿真/測試技術(shù)。已有的國內(nèi)外在軌裝配項目已經(jīng)部分驗證了相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)，然而其走向?qū)嵱萌杂休^長的技術(shù)發(fā)展路線。

表2 在軌裝配基本能力需求Table 2 Set of basic capabilities for in-space assembly missions

3.2 模塊化技術(shù)

在軌裝配的頂層系統(tǒng)設(shè)計對于任務(wù)的成功至關(guān)重要。大型空間結(jié)構(gòu)的模塊化設(shè)計一方面可以降低制造成本和發(fā)射成本，另一方面也可以降低裝配任務(wù)的規(guī)劃難度，使空間結(jié)構(gòu)更有可能地向大規(guī)模擴(kuò)展；合理劃分空間結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，利用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)使大型空間結(jié)構(gòu)具備最優(yōu)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計，在盡可能減少發(fā)射質(zhì)量的情況下使其具備足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；優(yōu)化設(shè)計模塊單元構(gòu)型，使其方便裝配，同時應(yīng)當(dāng)從方便機(jī)器人操作的角度對單元的抓持點、安裝方式及安裝接口等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計；合理的裝配序列對提高裝配效率、降低裝配成本有重要作用，應(yīng)當(dāng)充分利用優(yōu)化技術(shù)，既考慮結(jié)構(gòu)本身安裝順序的合理性，又同時考慮安裝機(jī)器人的能耗，對大型桁架中模塊及零部件的安裝給出最優(yōu)的安裝序列。模塊及接口的通用化、裝配效率及經(jīng)濟(jì)效益等是實現(xiàn)在軌裝配工程化應(yīng)用的關(guān)鍵，綜上，模塊化技術(shù)研究內(nèi)容包括：

1) 大型空間結(jié)構(gòu)模塊化系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)。

2) 空間結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分與拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)。

3) 模塊單元構(gòu)型設(shè)計與優(yōu)化技術(shù)。

4) 即插即用接口設(shè)計與優(yōu)化技術(shù)。

5) 大型桁架模塊化裝配序列生成技術(shù)。

3.3 機(jī)器人技術(shù)

機(jī)器人是實現(xiàn)在軌服務(wù)的核心關(guān)鍵技術(shù)，其自主化、智能化直接影響在軌裝配的成功率、效率和安全性等多個方面。因此，為完成復(fù)雜的裝配任務(wù)，裝配機(jī)器人需要具備認(rèn)知、學(xué)習(xí)、精細(xì)/柔順操作及大范圍移動等能力。由于發(fā)射質(zhì)量的限制和空間大型結(jié)構(gòu)的裝配需求，需要質(zhì)量輕但工作范圍大的機(jī)器人系統(tǒng)完成對空間大型結(jié)構(gòu)的操作任務(wù)；在具體執(zhí)行操作如針對模塊的搬運(yùn)/固定、零部件安裝/拆卸等任務(wù)時，一般需要不同的末端執(zhí)行器執(zhí)行精細(xì)操作，因此需要設(shè)計多功能且靈巧度高的末端執(zhí)行器，同時需要可以方便快速地更換執(zhí)行器；空間狀況比較復(fù)雜，不一定時刻有良好的視覺條件，需要機(jī)器人能夠具備多樣的測量和感知方式，在降低對工作環(huán)境要求的同時能夠提升整體測量精度；機(jī)器人在執(zhí)行安裝任務(wù)時，如果移動精度低，可能會造成模塊單元之間的碰撞，使安裝任務(wù)失敗，因此需要在盡可能提高機(jī)器人移動精度的情況下同時開發(fā)柔順控制技術(shù)以避免末端接觸力過大，保證機(jī)器人安裝過程的安全；完成大型空間結(jié)構(gòu)裝配時，往往需要多個機(jī)器人協(xié)調(diào)配合，完成安裝后還需要多個機(jī)器人輔助空間大型結(jié)構(gòu)完成定向或軌道轉(zhuǎn)移任務(wù)；綜上，機(jī)器人技術(shù)的研究內(nèi)容包括：

1) 輕質(zhì)大范圍工作機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)。

2) 多功能靈巧末端執(zhí)行器設(shè)計與快速更換技術(shù)。

3) 多模式測量與認(rèn)知技術(shù)。

4) 裝配機(jī)器人精確移動與柔順控制技術(shù)。

5) 多裝配機(jī)器人協(xié)同操作分布式規(guī)劃與控制技術(shù)。

3.4 地面模擬裝配技術(shù)

地面模擬裝配技術(shù)主要用于完成對在軌裝配的方案評估、任務(wù)仿真、性能評估及健康管理等。需要對在軌裝配任務(wù)進(jìn)行充分的仿真模擬，對任務(wù)的可行性進(jìn)行評估，同時在仿真系統(tǒng)內(nèi)不斷優(yōu)化來降低后續(xù)驗證成本；對裝配機(jī)器人的執(zhí)行動作進(jìn)行充分的地面試驗并完成校驗，降低制造安裝誤差對機(jī)器人操作精度的影響；對裝配對象完成充分的性能評估，保證模塊單元和其裝配后整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度；利用地面模擬的平行驗證系統(tǒng)，對其中涉及到序列規(guī)劃、裝配動作控制和分布式規(guī)劃控制等技術(shù)進(jìn)行驗證，并將地面試驗結(jié)果與數(shù)字仿真系統(tǒng)進(jìn)行平行交叉校驗，驗證方案及其他技術(shù)的可行性和準(zhǔn)確性；綜上，地面模擬裝配技術(shù)部分的研究內(nèi)容包括：

1) 在軌裝配任務(wù)仿真與優(yōu)化技術(shù)。

2) 裝配機(jī)器人協(xié)同訓(xùn)練與校驗技術(shù)。

3) 裝配對象性能評估與健康管理技術(shù)。

4) 在軌裝配與地面模擬的平行驗證技術(shù)。

4 應(yīng)用前景

在軌裝配技術(shù)的未來發(fā)展充滿了機(jī)遇與挑戰(zhàn)。近年來，與在軌裝配相關(guān)的新材料、新技術(shù)、新理論不斷涌現(xiàn)。在軌3D打印技術(shù)、增材制造/快速成型技術(shù)、結(jié)合新材料的智能結(jié)構(gòu)技術(shù)、柔性機(jī)器人技術(shù)以及人工智能技術(shù)是在軌裝配任務(wù)的未來發(fā)展方向。3D打印技術(shù)可以利用金屬或塑料等在軌打印出所需零部件，在DARPA和NASA資助下，TUI/Firmamentum公司擬利用3D打印技術(shù)實現(xiàn)在軌制造大型衛(wèi)星組件(桁架和反射鏡等)[82]。增材制造/快速成型技術(shù)利用星體上本身具有的材料制造裝配任務(wù)所需零部件[89-90]，這樣可以大幅降低任務(wù)的發(fā)射質(zhì)量，新興的制造技術(shù)使空間裝配的可能性大為提升[91]。此外，通過在結(jié)構(gòu)中集成新材料，形成智能結(jié)構(gòu)作為傳感器和驅(qū)動器，使結(jié)構(gòu)具有除了承載、傳力、連接等功能外，還有自感知、自診斷、自驅(qū)動、自修復(fù)等能力，從而更好地適應(yīng)外界環(huán)境的變化[92]，可顯著提升未來大型空間結(jié)構(gòu)的性能。采用軟材料或柔性材料加工而成的軟體機(jī)器人具有可連續(xù)變形的特點，理論上具有無限自由度，在人機(jī)交互、柔順操作和狹小空間作業(yè)具有巨大優(yōu)勢[93-94]，適合在未來大型空間結(jié)構(gòu)裝配過程中執(zhí)行狹小空間的精細(xì)操作任務(wù)；人工智能技術(shù)在語義識別、無人駕駛及智能機(jī)器人等領(lǐng)域的發(fā)展突飛猛進(jìn)，將在未來在軌裝配任務(wù)中扮演重要角色，例如可以利用人工智能技術(shù)在機(jī)器人執(zhí)行裝配任務(wù)時增強(qiáng)目標(biāo)檢測和靈巧操作過程中的圖像識別能力等。

新一代尺寸更大、結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、精度更高的空間結(jié)構(gòu)在軌裝配技術(shù)將直接影響遙感成像、偵查預(yù)警、天文觀測及深空探索等領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展，促進(jìn)空間機(jī)器人、人工智能和控制等技術(shù)的進(jìn)步，因此發(fā)展在軌裝配技術(shù)已成為各國航天研究機(jī)構(gòu)的共識。在軌裝配技術(shù)未來的應(yīng)用領(lǐng)域包括：

1) 多靈巧機(jī)器人協(xié)同自主在軌維護(hù)。

2) 月面/火星基地的遠(yuǎn)程智能建造。

3) 太空交通樞紐的中轉(zhuǎn)站建設(shè)。

4) 高清晰度大型太空望遠(yuǎn)鏡。

5) 大型太陽能空間電站。

5 結(jié) 論

大型空間平臺與基礎(chǔ)設(shè)施對于未來的空間探索任務(wù)十分必要。本文回顧了國內(nèi)外在軌裝配技術(shù)發(fā)展的研究現(xiàn)狀，分別介紹了宇航員手動裝配與無人在軌裝配的典型代表計劃，討論了大型空間結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法，并給出了發(fā)展路線圖。通過分析總結(jié)了在軌裝配所需的關(guān)鍵技術(shù)，包括模塊化零件結(jié)構(gòu)、空間機(jī)器人和地面模擬裝配技術(shù)等，展望了利用多裝配機(jī)器人協(xié)作進(jìn)行在軌裝配的巨大發(fā)展?jié)摿?，預(yù)期為后續(xù)的在軌裝配技術(shù)研究與發(fā)展提供參考。