劉育強，趙 陽，譚春林，高振良，王文龍

（1.北京空間飛行器總體設(shè)計部，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、價值越來越高，在人類社會發(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，重則導(dǎo)致整星失效，給國家和社會帶來巨大損失。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，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，中國中星18 號衛(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行在軌可維修性設(shè)計，容易接受在軌維修維護服務(wù)，可以適應(yīng)航天任務(wù)靈活定制，滿足航天器性能升級、壽命增長和任務(wù)擴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70 年代，美國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、日本等先后通過哈勃望遠鏡、ETS?Ⅶ（Engineering test satellite 7）衛(wèi)星、軌道快車計劃等項目［5］，開展了可維修航天器技術(shù)的長期研究，實施了多次在軌驗證。然而，航天器要具備可維修能力，需要付出額外的重量代價、增加設(shè)計復(fù)雜性，如何在代價最小的前提下實現(xiàn)可維修能力，還缺乏明確清晰的技術(shù)路線。

當前，中國已將可維修航天器技術(shù)寫入國家“科技創(chuàng)新2030 重大項目”規(guī)劃，作為未來航天技術(shù)發(fā)展的重要方向。本文在剖析國外可維修航天器技術(shù)特點的基礎(chǔ)上，提出了一種兼顧維修性、先進性和實現(xiàn)代價的可維修航天器設(shè)計方法，設(shè)計了一種變構(gòu)型模塊化可維修航天器，闡述了涉及的關(guān)鍵技術(shù)，為中國可維修航天器發(fā)展提供參考。

1 國外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

MMS 是首個具備在軌可維修能力的衛(wèi)星平臺，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 個分系統(tǒng)級別的基本功能模塊組成，并配備大型推進模塊、小型推進模塊、載荷適配模塊等可選模塊；主結(jié)構(gòu)外圍的獨立模塊支持在軌更換，如圖1 所示。“太陽峰年衛(wèi)星”是首個采用MMS 平臺實現(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 平臺并不是專門針對在軌維修服務(wù)而設(shè)計的，但其開敞性架構(gòu)和模塊化設(shè)計，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)計與內(nèi)部功能耦合嚴重，內(nèi)部功能只要微小改變，模塊接口就需要重新設(shè)計。

圖1 MMS 平臺及其分系統(tǒng)級模塊[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 個關(guān)鍵詞，并將功能模塊從分系統(tǒng)級別擴展到從系統(tǒng)至電路板和MEMS（Micro electromechanical system）設(shè)備等不同層級，并通過在接口層面進行標準化，應(yīng)用商業(yè)標準，采用開源體系架構(gòu)，模塊化分層軟件架構(gòu)等，構(gòu)建一個可以動態(tài)演化的航天器系統(tǒng)。此外，NASA 在高能空間系統(tǒng)項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］，其目標之一是旨在發(fā)展自動交會對接技術(shù)、機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)計圖[4]Fig.2 MARS spacecraft designs[4]

哈勃空間望遠鏡（Hubble space telescope，HST）是典型的可維修航天器，其從立項之初就采用了可維修性的設(shè)計理念，并貫徹整個研制過程。根據(jù)在軌維修需求，哈勃空間望遠鏡在部件級別設(shè)置了約70 個在軌可更換單元（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、機構(gòu)控制單元等；光學(xué)望遠鏡模塊，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。哈勃空間望遠鏡在設(shè)計中考慮了ORU 在軌更換服務(wù)的可到達性，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，使模塊可被檢測和操作。值得注意的是，哈勃空間望遠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，需長時間地面模擬演練和大量準備工作，難于在機器人提供在軌服務(wù)的一般衛(wèi)星上應(yīng)用。

2007 年，軌道快車（Orbital express，OE）計劃在軌驗證了自主交會對接、衛(wèi)星推進劑傳輸、模塊在軌更換以及可服務(wù)航天器設(shè)計等技術(shù)。軌道快車項目包括太空運輸機器人服務(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)計要素包括交會對接輔助設(shè)計、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；其中交會對接輔助設(shè)計包含被動對接敏感器、抓持裝置等，維修操作接口包含對接機構(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算機兩個功能模塊，均采用外置安裝的方式，如圖3 所示。除了在硬件上進行可維修性設(shè)計外，NextSat 衛(wèi)星還配備了一種類似于狀態(tài)機的模式管理軟件，使得NextSat可以充當ASTRO 的自主代理終端，并根據(jù)AS?TRO 的操作指令進行狀態(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 軌道快車計劃雙星[5]Fig.3 Two satellites of orbital express[5]

2011 年開始，美國國防部先進研究項目局（DARPA），開始通過“鳳凰”計劃（Phoenix Proj?ect）資助諾瓦沃克斯公司研究模塊化可重構(gòu)的“細胞星”［11?12］?！傍P凰”計劃主要針對GEO 衛(wèi)星零部件重用技術(shù)開展研究，其設(shè)想為通過機械臂操作將GEO 衛(wèi)星的大型天線進行拆解，并利用多個細胞星附著其后，在軌構(gòu)成一顆新衛(wèi)星，如圖4 所示，以實現(xiàn)衛(wèi)星高價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，宇航員在國際空間站上多次開展了“超級集成細胞星”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，驗證了“細胞星”聚合體平臺兼容衛(wèi)星有效載荷的能力。“鳳凰”計劃的可維修特點主要體現(xiàn)在通用化貨架式承載結(jié)構(gòu)技術(shù)、結(jié)構(gòu)和接口標準化設(shè)計、可重用技術(shù)、可按需重構(gòu)升級、可在軌組裝等方面。

圖4 細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，美國提出了“用于科學(xué)探索的可重構(gòu)運行航天器”（Reconfigurable operational spacecraft for science and exploration，ROSE）項目［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)競爭能力。在總結(jié)MMS 和HST 經(jīng)驗教訓(xùn)的基礎(chǔ)上，ROSE 航天器進行了適度模塊化設(shè)計，配置6 個可更換模塊，具備推進劑在軌可補加能力，見圖5。

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

除美國外，日本和德國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）項目。該項目發(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40 cm，30 個模塊可構(gòu)成一顆典型可維修衛(wèi)星［15］，如圖6 所示。iBOSS 項目追求高度可重構(gòu)性，系統(tǒng)體積、重量代價較大。

圖6 iBOSS 項目概念圖[16]Fig.6 Concept of iBOSS project[16]

綜合而言，當前航天器可維修能力較少從可維修體系上綜合優(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)計方面代價大、接口標準化方面考慮不足，較少考慮航天器的具體應(yīng)用場景，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

實現(xiàn)航天器可維修能力的同時，兼顧性能先進、代價最小，核心是構(gòu)建合適的航天器體系架構(gòu)、分級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)計方法從這3 方面進行闡述，并據(jù)此設(shè)計一種典型的變構(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)展而動態(tài)升級演化的關(guān)鍵?？删S修體系架構(gòu)由開放式機械體系、分布式異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)體系、可補加動力體系3 部分構(gòu)成。其中，開放式機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；可補加動力體系為推進劑等消耗性工質(zhì)提供在軌接受補加的能力。

（1）開放式機械體系

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，還要求機械體系具有開敞性和維修操作可達性，并具備可擴展和可重構(gòu)能力，以支持航天器模塊更換、系統(tǒng)擴展、在軌組裝等應(yīng)用需求。傳統(tǒng)不可維修航天器機械體系架構(gòu)與可維修航天器機械體系架構(gòu)的區(qū)別如表1 所示。

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

根據(jù)上述設(shè)計思想，基于主結(jié)構(gòu)可變構(gòu)型的理念，設(shè)計了一種伸展式變構(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)（能源動力艙）、兩側(cè)擴展結(jié)構(gòu)（側(cè)艙）、頂部擴展結(jié)構(gòu)（頂艙）4 個一級機械模塊組成。3 個擴展結(jié)構(gòu)外部均可安裝有效載荷，或進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，通過可重復(fù)伸展機構(gòu)將擴展結(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，擴展結(jié)構(gòu)內(nèi)部的可更換功能模塊既可以進行外掛安裝，也可以進行內(nèi)置安裝，以實現(xiàn)載荷的靈活適配性和維修操作的靈活適應(yīng)性。當可更換功能模塊進行內(nèi)置安裝時，擴展結(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。對此，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，建立一個分布式的對等網(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等網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，從而構(gòu)成一個由不同分系統(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)實現(xiàn)，信息總線由定制電纜網(wǎng)實現(xiàn)，熱總線可由流體回路系統(tǒng)或熱管網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)。一般而言，功率總線、信息總線、熱總線不進行在軌維修性設(shè)計；必要時也可以與衛(wèi)星艙板進行一體化設(shè)計，形成可更換智能艙板系統(tǒng)。同時，通過同類資源聚類劃分、分區(qū)管理，在設(shè)備層面實現(xiàn)功能的重新聚類和即插即用，確?？删S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)與擴展、多任務(wù)自適應(yīng)等新需求，并在系統(tǒng)層面實現(xiàn)性能優(yōu)化、代價低廉。如，可以將星上計算類資源、信息處理類資源進行統(tǒng)一劃分與管理，形成高性能計算功能區(qū)、高速數(shù)據(jù)處理功能區(qū)，實現(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)，實現(xiàn)資源在不同衛(wèi)星間共享。

（3）可補加動力體系

推進劑是決定航天器壽命和系統(tǒng)使用效能的關(guān)鍵因素，對地球靜止軌道的高價值衛(wèi)星尤其如此?？删S修航天器可補加設(shè)計需要進行兩方面的適應(yīng)性改進，一是增加相應(yīng)的管路、閥門等必要部件，構(gòu)建可補加的氣、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)建氣液補加通道。管路系統(tǒng)的改進設(shè)計與傳統(tǒng)推進分系統(tǒng)管路設(shè)計基本相同，無特別之處；對于星表可加注接口，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接機構(gòu)進行一體化設(shè)計，在服務(wù)衛(wèi)星與可維修航天器對接的同時，實現(xiàn)可補加接口的同步連接；其特點是氣液接口連接方式簡單可靠，但要求可維修航天器增加專用對接機構(gòu)，系統(tǒng)重量增加大，且對接機構(gòu)占據(jù)衛(wèi)星的一個完整安裝表面，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)用是軌道快車計劃，如圖9（a）所示。第二種無須專用對接裝置，僅在被加注航天器上增加推進劑可加注接口，如美國OSAM1（On?orbit serving，assembly，and manufacturing 1）項目將于2024 年左右驗證的可加注接口［17］，見圖9（b）。這種方案，加注接口的連接依靠服務(wù)航天器利用機械臂操作完成；其特點是可維修航天器為實現(xiàn)可補加能力代價小，不影響衛(wèi)星原有用途，方便推廣應(yīng)用。設(shè)計表明，相比方案一，接口重量代價降低60%以上；其不足是對服務(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、通過機械臂在推進劑加注與模塊更換等任務(wù)中的功能復(fù)用，可以彌補這一不足。無須專用星間對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 不同推進劑可補加接口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兼顧。本文設(shè)計的變構(gòu)型可維修航天器采用兩級功能模塊體系，一級為艙段級功能模塊，如圖7 所示，包括能源動力艙、側(cè)艙、頂艙3 種功能模塊，根據(jù)需要這些艙段可以進行在軌可更換設(shè)計；二級為設(shè)備級功能模塊。二級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、可更換計算機等，其特點是功能模塊接口可以統(tǒng)一設(shè)計、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，其特點是需要針對每類設(shè)備進行獨立設(shè)計，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，對空間機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)鍵是各類接口的標準化和即插即用能力。本文設(shè)計的變構(gòu)型可維修航天器接口體系如圖10 所示，包括星間接口、艙段級接口和設(shè)備級接口3 類。星間接口主要面向與服務(wù)航天器交會連接前的輔助識別與測量，捕獲連接階段的捕獲抓持，捕獲連接后的推進劑補加、整星檢測等用途。艙段級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，以及必要時的熱量交互。設(shè)備級接口主要用于實現(xiàn)可維修航天器設(shè)備級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。根據(jù)設(shè)備級功能模塊劃分的類型，設(shè)備級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、射頻設(shè)備等。對于可更換設(shè)備，通過接口設(shè)計與系統(tǒng)支持實現(xiàn)可插拔更換與智能化檢測管理的雙重功能，即實現(xiàn)在軌即插即用；對于不可更換設(shè)備，通過接口設(shè)計與系統(tǒng)支持實現(xiàn)智能化檢測管理功能。

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劑在軌補加、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、在軌組裝擴展等幾類任務(wù)。通過可維修性設(shè)計，可以大幅降低維修服務(wù)任務(wù)對空間機械臂等服務(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 個級別，一級功能模塊，維修操作精度優(yōu)于5～10 mm、2°～3°（絕對定位精度，下同）；二級附件類功能模塊，維修操作精度優(yōu)于3～5 mm、1°～2°；二級常規(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)空間機械臂的操作可達范圍，可維修航天器頂艙設(shè)備維修、大范圍組裝擴展等任務(wù)需要機械臂抓持維修部位附近的捕獲抓持接口，兩星進行浮動連接；其余任務(wù)兩星采用固定連接的方式。同時，星表、星內(nèi)等不同位置設(shè)備維修對維修操作路徑、維修時間的約束不同；不同附件類的二級功能模塊對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行維修操作。幾類任務(wù)對服務(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)

為了實現(xiàn)兼顧性能先進、代價合理的可維修航天器的發(fā)展，從維修性設(shè)計、拓撲架構(gòu)設(shè)計以及維修性評價3 方面，對可維修航天器研制需要解決的關(guān)鍵技術(shù)進行分析。

3.1 維修性設(shè)計技術(shù)

航天器的在軌可維修性主要由航天器機械體系架構(gòu)設(shè)計、功能模塊化設(shè)計確定，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。

航天器機械體系架構(gòu)設(shè)計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等要求。為了實現(xiàn)在軌維修操作可達，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、軌道快車“未來星”、ETS?Ⅶ試驗星等均采用了這種設(shè)計；二是采用變構(gòu)型技術(shù)，如哈勃望遠鏡的開艙門技術(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)計技術(shù)、強適應(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)計包含模塊劃分和模塊設(shè)計兩部分，模塊劃分是模塊設(shè)計的前提與基礎(chǔ)［18］。為了兼顧維修性和實現(xiàn)代價，需要采用合適的方法進行功能模塊劃分，以打破固有思維的束縛，實現(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)計則是功能模塊化的關(guān)鍵，其核心是功能模塊接口設(shè)計。為支持在軌可維修，功能模塊接口設(shè)計需要滿足空間機械臂捕獲抓持、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械連接與其他連接器的作動順序不同，目前，國內(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，但離在軌實用還存在一定差距，功能模塊接口輕小型化技術(shù)、機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 拓撲架構(gòu)技術(shù)

航天器的技術(shù)先進性及其是否可隨技術(shù)發(fā)展而動態(tài)演進能力主要由其拓撲架構(gòu)決定。對于以分布式異構(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)是整個可維修航天器的電氣信息基礎(chǔ)，主要包括高速對等信息網(wǎng)絡(luò)、可變拓撲能源網(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)、標準化信息接口技術(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、難以升級擴展的不足，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)等方面進行攻關(guān)。

3.3 維修性評價技術(shù)

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

對于可維修航天器性能評價，首先需要從可維修性、技術(shù)先進性、實現(xiàn)代價3 方面構(gòu)建綜合評價指標體系，建立評價標準。然后，采用合適的評價方法進行設(shè)計評價。鑒于航天器系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性，且在某些方面依賴設(shè)計經(jīng)驗，設(shè)計評價可以采用定性、定量相結(jié)合的評價方法，如采用模糊評價方法將專家打分評價、定量計算評價或仿真評價、區(qū)間分析等多種手段進行綜合，以給出合理的評價判斷。

對于效益評估主要從航天器可維修化設(shè)計及接受在軌服務(wù)的經(jīng)濟價值方面進行分析，以判斷可維修航天器能否可持續(xù)發(fā)展。國內(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)濟價值定量分析評價方法［20］，為可維修航天器的效能評估提供了參考。對于可維修航天器的效益評估還需要在功能模塊可更換設(shè)計、推進劑可加注設(shè)計、在軌可組裝設(shè)計等方面開展實例化研究。

4 結(jié)論

（1）闡述了國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，指出了未發(fā)展出實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)計方法，設(shè)計了一種主結(jié)構(gòu)可變構(gòu)型的模塊化可維修航天器，其對維修操作方要求低、容易維修維護，且系統(tǒng)功能性能可隨技術(shù)發(fā)展而動態(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)、兩級功能模塊體系和三級接口體系，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，在實現(xiàn)可維修能力的同時代價較小。

（4）從維修性設(shè)計、拓撲架構(gòu)設(shè)計、維修性評價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。