張從發(fā) ，李 林，李 瀟，王浩威，黎 彪，蘇 周

(北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

0 引言

目前，幾乎所有的航天器均是在地面完成制造和試驗驗證后，再通過運載火箭送入軌道。為了將整個航天器放入運載火箭的整流罩內，航天器載荷的尺寸受到嚴重制約；同時，為了抵御苛刻的發(fā)射段力學環(huán)境，不得不對運行于微重力條件下的航天器結構進行加強設計，而這些加強設計對航天器入軌后是“無用”的。為了克服這些問題，人們開始研究在軌制造和在軌裝配。

在軌制造(in-space manufacturing)指在目標軌道或者地外天體上，利用攜帶的原材料或者就地取材，由制造設備通過加工制造零部件等。在軌裝配(in-space assembly)指通過航天員或者機器人等將在軌制造的零件或者攜帶的零部件進行在軌裝配，形成整個航天器或者載荷結構等。

在軌制造和在軌裝配采用“Make it, Don't take it”的理念，具有多種優(yōu)勢：1)可不受運載包絡和能力的限制，能夠制造超大型結構；2)通過增加、替換載荷設備等，能夠實現(xiàn)航天基礎設施的靈活性和彈性，如通過在軌道上建立永久平臺并安裝多種載荷，實現(xiàn)多功能化；及時更新?lián)Q代，實現(xiàn)技術不斷革新等；3)能夠根據(jù)實際需求進行制造，解決應急需求等；4)能夠降低為抵抗發(fā)射段力學載荷而附加的結構重量，使材料利用率更高，減少地面測試試驗的數(shù)量和規(guī)模，降低航天器研制成本等；5)能夠制造因受地球引力作用無法在地面上制造的結構等[1-2]。

在軌制造和在軌裝配根據(jù)其應用場景不同，所研究的重點各不相同，所采取的技術途徑亦不相同?？傮w可以分為三類：第一類為在軌制造，針對小型、精密部件，進行應急、按需制備。為了解空間站運行過程中設備出現(xiàn)故障的問題，攜帶了大量備件；據(jù)歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計，95%的備件均未使用[3]。但事先無法預知哪些備件不必需，如果能夠進行按需制備，將不再需要攜帶不用的備件；未來在深空探測領域，因任務時間長和復雜性高，該問題將更突出；第二類為在軌裝配，重點針對目前受運載限制無法直接發(fā)射入軌的超大型結構，采取發(fā)射零部件然后在軌裝配的方式，如在軌裝配太空望遠鏡等[4-5]；第三類為在軌構建，包含在軌制造和在軌裝配兩個過程，基于在軌制造提供超大型結構的基礎單元零部件等，進一步結合在軌裝配，形成超大型結構，主要面向稀疏的大型及超大型結構。

本文首先分別介紹了國外在軌制造、在軌裝配和在軌構建技術的發(fā)展現(xiàn)狀和所面臨的技術挑戰(zhàn)，其次，對國外在軌制造和裝配進行了總結，提出了一些可以借鑒的啟示，供國內在軌制造及裝配領域研究參考。

1 在軌制造技術

1.1 概述

自從2014年美國太空制造公司(Made In space)首次在空間站上進行3D打印驗證以來，已發(fā)展了多項在軌制造技術，材料體系從聚合物，擴展到了金屬材料、生物材料等；技術途徑從3D打印發(fā)展到半固態(tài)成形、熔鑄等，所制備的產品由結構部件發(fā)展到功能部件等。目前已實施的典型計劃任務如圖 1所示[6-7]。

圖1 典型計劃任務

1.2 聚合物制造

空間站第一次3D打印就是針對聚合物制造，使用的原料為丙烯腈丁二烯；2016年，美國太空制造公司向國際空間站發(fā)射了第二代增材制造裝置(AMF)，可制造的材料拓展到了丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、ULTEM 9085材料和高密度聚乙烯等。聚合物3D打印過程的功率相對較低，且空間站28%以上的失效硬件是由聚合物制造[8]，因此采用聚合物制造小零部件受到人們重視。

聚合物制造的另一個研究方向是可回收利用，NASA從2015年開始支持美國系繩有限公司(TUI)開發(fā)了可回收設備(ReFabricator)，該設備于2018年11月送入空間站進行試驗，其主要采用太空包裝材料和塑料袋等作為原材料進行3D打印[9]。

1.3 金屬材料制造

航天器許多零部件采用金屬制造，金屬材料的在軌制造逐漸受到重視。從2017年美國開始支持太空制造公司[10]、TUI公司[11]、超聲技術機械公司[12]和Techshot公司[13]開展金屬材料在軌制造的研究。四家均采用了增材制造與數(shù)控加工相結合的方式，從而可制造精密零部件。各家的增材制造路線各有不同：超聲技術機械公司采用超聲輔助的半固態(tài)加工方法，所需能耗最低；美國太空制造公司沿用 AMF技術采用金屬絲熔化焊接方式，Techshot公司采用激光輔助熔化方式，TUI公司采用熔鑄方式。這些制造設備均面臨功耗、重量和體積的極大挑戰(zhàn)。為適應空間站運行要求，設備功耗要低于2000 W，重量要小于261 kg，體積要小于0.45 m3。目前各家正在并行開展研究，最早將在2024年左右開展在軌試驗驗證[14]。

1.4 電子器件制造

除了在軌3D打印結構件，NASA一些研究中心，如馬歇爾太空飛行中心(MSFC)和艾姆斯研究中心(ARC)與噴氣推進實驗室(JPL)，正在聯(lián)合開展電子和聲學器件的在軌增材制造，已完成了CO2氣體傳感器和柔性印制板等電子器件原理制造[14]，電子器件的研制可為未來深空探測提供探測儀器，還可為整星級的在軌制造奠定技術基礎，是一項應用前景廣泛的技術。

1.5 基于原位資源制造

基于地外天體原位資源制造在深空探測中具有極大的優(yōu)勢，歐洲提出了“D shape”制造工藝，美國NASA提出了“Contour Crafting”制造工藝，但這些工藝均需要自帶粘結劑[15]。最近，文獻[16]提出一種直接利用太陽能進行熔化的制造工藝，不需要添加粘結劑，具有良好的應用前景，但對原材料和制造工藝過程還需開展進一步研究。

1.6 在軌制造面臨的技術挑戰(zhàn)

在軌制造經過多年的發(fā)展，取得了很大的成就，但仍面臨一些挑戰(zhàn)，主要包括以下方面：

1)在軌制造的材料體系品種仍受到限制

目前僅在軌驗證了聚合物作為原料的3D打印，航天器的很多部件采用金屬和復合材料制備，需要加快對金屬材料和復合材料在軌制造的驗證。

2)需要研究在軌制造的新方法

目前空間站的AMF 3D打印機的打印體積為14 cm×10 cm×10 cm，所能制備的零件尺寸較小，可滿足小型工具的需求，但擴展應用受限；3D打印的效率較低，空間站打印一個小棘輪用了四個小時，據(jù)此推斷，稍微大型的零件將需要數(shù)天甚至數(shù)周才能完成。另外，聚合物材料的打印功耗為600 W，已經很低；但是要提高打印速度和規(guī)模，功率勢必會增大；并且考慮金屬材料的打印功耗是聚合物材料打印功耗的10倍以上[16]，因此，需要研究新的在軌制造方法實現(xiàn)大尺寸低功耗快速零件的制備。

3)在軌制造零件的原位表征和檢驗方法欠缺

與地面制造零件一樣，在軌制造的零件需要進行表征和檢驗。可有兩種途徑：一種途徑是采用傳統(tǒng)的質量驗證方法，一種是基于實時過程監(jiān)測的質量驗證方法。傳統(tǒng)的質量驗證方法目前不被人們看好。NASA已經開展支持多家單位開展基于實時過程監(jiān)測的質量驗證研究，包括原位監(jiān)控和過程控制[18]、多參數(shù)成像技術[18]、基于聲學特征的非破壞性評估方法[19]、基于形狀和溫度實測的閉環(huán)控制[20]、自動化的實時工藝控制[21]等。

2 在軌裝配技術

2.1 概述

在軌裝配技術主要是指將零件或部組件通過運載上行,然后通過手工(航天員艙外操作)或自動方式(機器人自動組裝)在軌裝配為所需結構?？梢允菃蝹€零件的逐個順次裝配，也可以是多個組件模塊的順次組裝，是一個由點及線及面的概念。NASA在上世紀70年代開展航天員輔助的在軌裝配技術試驗驗證，但隨著機器人技術的發(fā)展，目前主要是自動化裝配途徑。

2.2 在軌裝配的對象

在軌裝配的對象包括整星和載荷結構等。整星級的裝配目前仍只局限在組裝小衛(wèi)星，德宇航提出了“太空工廠4.0”(Space factory 4.0)概念，進行了小衛(wèi)星在軌組裝的地面試驗驗證[22]。

在軌裝配的載荷結構主要包括太空望遠鏡、干涉天線及遮光罩等。這些結構通常為典型的稀疏結構，在軌裝配的優(yōu)勢非常突出。目前，在軌裝配太空望遠鏡的研究最多[23]，其典型裝配過程如圖 2所示，主要是基于可展開桁架模塊(DTM)進行自動裝配[24]。美國和歐洲均開展了相應的研究，歐空局已完成了水池裝配試驗，預計2030年～2035年發(fā)射[25]。

(a)整體裝配過程 (b)桁架和鏡片的裝配過程

2.3 在軌裝配的方式

目前常用的在軌裝配方式從執(zhí)行層面可分為自組裝和機器人自動裝配。自組裝主要是通過立方星集群實現(xiàn)大型結構的裝配，加州理工學院/JPL和薩瑞衛(wèi)星技術有限公司共同開發(fā)了利用可以自動?？亢蛯Ш降腃ubeSat集群來重構空間望遠鏡(AAReST)[26]。機器人自動裝配是目前在軌裝配的主流，所采用的機器人主要包括自由移動的多臂機器人以及安裝在衛(wèi)星平臺上的多個機器臂等。

裝配過程可分為“自由生長型”[27]和“工裝輔助型”[28]。自由生長型類似自然界植物的生產，是單個零件的順序安裝；工裝輔助型是通過工裝完成一個模塊的裝配，然后再進行模塊的順序組裝。自由生長型裝配精度控制相對困難，但技術適應性廣；工裝輔助型裝配精度直接由工裝進行保證，相對容易；但每套工裝僅能適應一種結構的裝配，適應性和可擴展性弱。

2.4 在軌裝配的連接方式

在軌裝配快速連接方式可分為快速連接接頭和直接機械固定。快速連接接頭在上世紀航天員輔助裝配的過程中常采用，但接頭復雜、對裝配操作要求高。目前隨著機器人和焊接等技術的發(fā)展，開始采用機械螺接[29]或焊接[30]等方式，采用這種方式能夠有效降低連接接頭的復雜程度以及接頭的質量體積等，尤其適用于超大型結構的在軌裝配。

2.5 在軌裝配面臨的技術挑戰(zhàn)

盡管在軌裝配具有許多優(yōu)勢，但目前這種能力仍面臨許多技術挑戰(zhàn)。首先，要考慮太空環(huán)境對裝配過程的影響。這些影響包括：第一、對于低軌操作面臨頻繁進出陰影的溫度交變；第二、太空環(huán)境對基于視覺的精度控制帶來困難；第三、遠程操作受時間延遲的影響，尤其是對于深空任務(如在月球和火星上的任務)；第四、機器人系統(tǒng)必須具有高的可靠性，以及良好的人機交互能力。在軌裝配應用于型號之前首先要解決這些問題。

另外，在軌裝配要保證“所建即所想”，要確保在軌裝配規(guī)劃是按照計劃執(zhí)行的，因此必須進行新的研究。值得慶幸的是目前地面上已廣泛應用了自動化技術和人工智能技術等，尤其是在汽車行業(yè)和微電子行業(yè)，這些行業(yè)的寶貴經驗可被航天器的在軌裝配所借鑒。

3 在軌構建技術

3.1 概述

在軌構建技術主要是指發(fā)射時攜帶原材料，在軌通過制造設備完成零部件制造，然后自動裝配成滿足功能需求的大型及超大型結構，充分發(fā)揮在軌制造和在軌裝配(In-Space Robotic Manufacturing and Assembly,IRMA)的技術優(yōu)勢。在軌構建主要是面向大型和超大型稀疏結構，典型代表是美國TUI公司提出的“蜘蛛制造”(SpiderFab)技術構想[31]。

美國NASA通過技術演示驗證(Technology Demonstration Mission,TDM)計劃支持美國太空制造公司、軌道ATK(Orbital ATK)公司和勞拉空間系統(tǒng)(Space Systems/Loral)公司分別開展了在軌構建技術的研究[32-33]。

3.2 美國太空制造公司

美國太空制造公司牽頭，聯(lián)合Northrop Grumman Corp，Oceaneering Space Systems和ARC中心，重點驗證可擴展結構的增材制造和所制造結構的自動裝配。該方案以聚合物作為原材料，利用結構構型設計增加部件的剛度性能，適用于太陽翼支撐臂桿等結構；但擴展應用于構建平臺結構會面臨問題。目前所研制的在軌構建設備已完成地面環(huán)境試驗，計劃于2022年左右發(fā)射“太空建筑師一號”進行在軌驗證，在軌打印10 m長的太陽翼支撐臂桿將柔性太陽翼展開[34]，目前該任務命名為OSAM-2任務(On-Orbit Servicing, Assembly and Manufacturing,OSAM)[35]。

3.3 美國勞拉空間系統(tǒng)公司

美國勞拉空間系統(tǒng)公司牽頭，聯(lián)合蘭利研究中心(LRC)、ARC中心、TUI公司、美國MDA和布蘭普頓(MDA US & Brampton)在“鳳凰”計劃的基礎上，實施“蜻蜓”計劃。主要進行在軌大型天線的裝配驗證以及天線支撐臂的在軌制造驗證等。支撐臂桿主要由美國系繩有限公司負責，其采用的技術路線是連續(xù)纖維增強樹脂基復合材料預浸帶的成形方式，所制造部件的環(huán)境適應性相對較好，但復合材料的性能優(yōu)勢受制造工藝的限制很難充分發(fā)揮。目前，計劃在Restore-L spacecraft上進行在軌裝配一個3 m口徑通信天線和在軌制造一根10 m長支撐臂桿，對裝配技術和制造技術進行分別驗證[36]，目前該任務命名為“OSAM-1”任務，以概括這個世界上第一個在軌服務，并進行組裝和制造演示的航天任務[37]。

3.4 美國軌道ATK公司

美國軌道ATK公司牽頭，聯(lián)合美國格倫研究中心，LRC中心，美國海軍研究實驗室等單位重點開展在軌裝配的研究，驗證大型桁架結構的在軌搭建以及可重復拆裝的機械和電子連接等。大型結構所需的桁架桿由地面發(fā)射入軌，裝配過程桁架桿與接頭采用電子束焊接的連接方式，目前該技術方案已經完成了地面試驗驗證[32]，未見報道開展在軌驗證的計劃。

3.5 小結

美國針對在軌構建的研究啟動較早，技術相對成熟，支持的三家單位均已完成地面試驗驗證，其中兩家在最近的2～3年將完成在軌試驗驗證。在軌構建是一個多學科交叉的領域，支持的三家均為一個技術聯(lián)盟，由多家單位互相合作完成整個項目。

4 在軌制造和裝配技術國內差距分析及發(fā)展啟示

通過對國外在軌制造和裝配技術發(fā)展現(xiàn)狀和水平的梳理，對比國內可知，國內在任務規(guī)劃、關鍵技術攻關、研究團隊建設等方面均存在較大差距，具體體現(xiàn)在以下方面：

1)國內缺少頂層規(guī)劃，美國在國家層面從2010年就制定了在軌制造技術領域的發(fā)展路線圖，并且隨著新技術的出現(xiàn)和應用并對其進行更新；而國內目前還未出臺國家層面的發(fā)展路線圖，尚處于技術論證階段。

2)國內在軌制造和裝配領域關鍵技術成熟度低，美國通過演示驗證計劃已經支持相關單位開展在軌試驗驗證，如“OSAM-1”和“OSAM-2”任務；另外，其多項技術也已完成地面試驗驗證，如美國太空制造公司全自動桁架構建系統(tǒng)已經完成了熱真空試驗驗證等。相對而言，國內僅個別單位開展了3D打印工藝的在軌可行性驗證，還未見有系統(tǒng)級地面試驗驗證的報道，目前還未見開展大尺寸零件制造的試驗驗證等。

3)國內在在軌制造和裝配領域的關鍵技術突破不全面，國外關于在軌制造和裝配領域，從頂層任務規(guī)劃、系統(tǒng)設計，到各種制造方法、在軌測量，再到全過程質量控制、數(shù)值模擬等方面，均開展了相應的關鍵技術攻關，都取得了一定的成果；而國內主要集中在3D打印工藝研究以及相機裝配等領域，在其它技術方面的研究相對薄弱。

4)國內研究團隊相對較弱，仍未能形成技術聯(lián)盟，國外通過聯(lián)合各技術方向的優(yōu)勢力量，形成了一些技術聯(lián)盟，這些技術聯(lián)盟能夠充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，最大化促進該領域的發(fā)展；而目前國內仍以單位自我研制為主，未能形成一些實力強的技術聯(lián)盟。

通過對國外發(fā)展現(xiàn)狀的梳理以及國內差距的分析，可得到以下啟示：

1)目前研究的熱點是面向應急、按需的在軌制備，在此方面的研究最為活躍，開展的在軌試驗驗證也是最多的；材料體系從樹脂材料、金屬材料到生物材料等，所制造的產品從結構部件到功能部件(如傳感器等)；技術途徑從3D打印到熔鑄、半固態(tài)成形等，并且結合傳統(tǒng)機械加工，開展小型高精度零件制造，可解決空間站運行和未來深空探測的應急需求問題等；針對應急、按需制造領域，需求相對獨立，通常一臺獨立設備即可滿足需求，可以鼓勵優(yōu)勢單位積極參與，從而能夠為型號總體單位提供更多的技術選擇等。

2)目前研究的重點是大型結構的在軌裝配，尤其是相機的在軌裝配，美國和歐洲均開展了相應的研究，這個方面技術極有可能最早應用于型號，其應用將促進航天技術快速發(fā)展，并且還可降低航天器研制成本；在此領域國內、國外研究起點相對差距不大；關于此領域，需求相對明確，主要的關鍵技術是機器人技術及其智能操作技術等，在此方面可以充分發(fā)揮自動化、自動操作領域單位的優(yōu)勢力量。

3)未來研究的重點是在軌構建技術，其應用將會帶來航天器研制模式的變革，牽引在軌服務、深空探測等領域的發(fā)展；并且，其應用還將帶來商業(yè)利益，可促進商業(yè)航天的發(fā)展。目前，美國在此方面的投入相對較大，支持了多種技術途徑的發(fā)展。國內也需要多支持相關優(yōu)勢單位開展不同技術途徑的研究，不僅要發(fā)展增材制造，同時也要發(fā)展等材制造等。

4)目前重點解決的共性技術是在軌制造過程的質量控制，這是在軌制造進行型號應用的前提。在此方面，美國NASA已經支撐了多項研究，所支持的項目涵蓋了多種技術途徑，包括基于聲學的、基于攝影測量的，以及基于閉環(huán)控制等；相應國內也需要盡快安排相關的研究課題，支持關于質量控制方面的研究，發(fā)展多種解決措施為未來型號選用；另外，也可以通過傳統(tǒng)航天單位與質量控制方面優(yōu)勢單位合作，如自動化生產線過程的質量控制理論和工程實際經驗等應用于在軌構建。

5)在軌構建是一個多學科交叉的全新領域，在一定程度上講是將智能制造領域最尖端技術應用于空間，終極目標是打造“太空工廠”；國外的研究策略是成立由政府、研究機構和企業(yè)等多方聯(lián)合的技術聯(lián)盟。國內也需要成立相應的技術聯(lián)盟，這些技術聯(lián)盟并不局限于傳統(tǒng)航天單位，還要聯(lián)系非傳統(tǒng)航天單位，尤其是像汽車行業(yè)和微電子行業(yè)單位等，他們在自動化、智能控制、質量過程管理等方面有寶貴的經驗，這些成功經驗可應用于航天器在軌構建；

6)在軌構建技術是一項具有廣泛應用前景的新技術，但技術完全成熟還需開展長期研究；國外采取成熟一項驗證一項，并不追求進行系統(tǒng)性的完整驗證；開展驗證試驗，一方面借助國際空間站現(xiàn)有驗證平臺，還會研制一些專門驗證平臺。國內也可以采取這種方式，逐步驗證，成熟一項驗證一項。驗證時，一方面可以利用即將建成的中國空間站開展艙內在軌制造的驗證，以及開展艙外的在軌裝配和在軌構建的驗證；另一方面，還可以基于目前國內搭載試驗衛(wèi)星或者商業(yè)衛(wèi)星，開展有針對性的專項試驗驗證，如基于3D打印大尺寸桿的重力梯度試驗衛(wèi)星等。