郭崇嶺，陳傳志，陳金寶，王偉之

(1. 南京航空航天大學(xué)航天學(xué)院，南京 211106；2. 北京空間機(jī)電研究所，北京 100094)

0 引 言

超大口徑空間光學(xué)望遠(yuǎn)鏡作為航天遙感領(lǐng)域的標(biāo)志性產(chǎn)品之一，一般可以根據(jù)其技術(shù)實現(xiàn)的特點(diǎn)，分為整體口徑式、分塊展開式、在軌組裝式及薄膜式四類。在軌組裝、部署和維護(hù)作為超大孔徑空間光學(xué)望遠(yuǎn)鏡實現(xiàn)的技術(shù)途徑之一，世界各國的宇航企業(yè)均對其開展了卓有成效的研究。這些研究工作在很多方面推動了空間望遠(yuǎn)鏡技術(shù)的進(jìn)步，主要表現(xiàn)在系統(tǒng)設(shè)計更大的通用性，系統(tǒng)硬件冗余的減少，在軌裝配精度的提高，望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)在軌可靠性的提升等。這些技術(shù)的進(jìn)步是實現(xiàn)大口徑空間望遠(yuǎn)鏡在軌批量化建造的能力的基礎(chǔ)。面向在軌建造，結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)技術(shù)是實現(xiàn)這些目標(biāo)的基礎(chǔ)性技術(shù)之一。

世界各國針對不同體制的望遠(yuǎn)鏡在軌裝配開展了大量研究。美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Agency，NASA)作為全球宇航機(jī)構(gòu)的翹楚，在面向未來的科學(xué)觀測和平臺任務(wù)所需的航天器系統(tǒng)在軌裝配技術(shù)(In-space assembly，ISA)上取得了重大進(jìn)展，包括輕型結(jié)構(gòu)技術(shù)和其他新興技術(shù)。NASA制定的技術(shù)路線圖中，明確提出發(fā)展大型航天器結(jié)構(gòu)系統(tǒng)(Space assembly of large structural system architectures，SALSSA)在軌裝配能力，并稱其為能夠大幅提高未來空間任務(wù)和航天器能力與性能的關(guān)鍵技術(shù)，先進(jìn)技術(shù)大口徑空間望遠(yuǎn)鏡(Advanced technology large-aperture space telescope，ATLAST)是其三個演示驗證項目之一。2019年5月，NASA針對空間望遠(yuǎn)鏡的ISA技術(shù)向美國國家科學(xué)院提交了一份白皮書，分析了該項目的必要性、成本和效益。與此同時，NASA對在軌拼接式光學(xué)載荷概念也進(jìn)行了詳細(xì)的論證和實驗，主要的研究項目包括：大型模塊化空間光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的裝配(Assembly of a large modular optical telescope，ALMOST)、國際空間站(ISS)上的光學(xué)測試臺和集成(Optical testbed & integration on ISS experiment，OPTIIX)、可變孔徑空間望遠(yuǎn)鏡(The configurable aperture space telescope，CAST)。美國加州理工學(xué)院提出了機(jī)器人組裝的模塊化空間望遠(yuǎn)鏡的結(jié)構(gòu)和概念設(shè)計，該技術(shù)可用于在軌實現(xiàn)超大空間望遠(yuǎn)系統(tǒng)。英國薩里航天中心與薩里衛(wèi)星技術(shù)有限公司同空客國防和航天公司建立了新的合作伙伴關(guān)系，該中心正在開發(fā)大口徑分段望遠(yuǎn)鏡的自主機(jī)器人(On-orbit assembly，OOA)，用于25 m口徑空間望遠(yuǎn)鏡的在軌建造。此外，加州理工學(xué)院、薩里大學(xué)和印度空間科學(xué)與技術(shù)研究所共同開展了“可重構(gòu)空間望遠(yuǎn)鏡的自主裝配”(Autonomous assembly reconfigurable space telescope，AAREST)任務(wù)研究。德國宇航中心也提出了超大結(jié)構(gòu)裝配機(jī)器人原型機(jī)(Prototype of an ultra large structure assembly robot，PULSAR)項目研究。

綜上，國內(nèi)外在已經(jīng)飛行的前瞻性任務(wù)中開展了大量的在軌建造試驗，在空間環(huán)境下驗證了相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)，ISA的關(guān)鍵能力得到顯著提升，但是也暴露了大量技術(shù)方案及工程開發(fā)中的薄弱環(huán)節(jié)。特別是針對空間望遠(yuǎn)鏡的在軌裝配，由于結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)涉及光學(xué)層面的高精度、高穩(wěn)定操作，其成熟度尚需升級。

1 空間光學(xué)望遠(yuǎn)鏡在軌建造的結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)特點(diǎn)

空間光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的在軌建造是依托在軌建造設(shè)施與環(huán)境保障條件，對相機(jī)各模塊進(jìn)行分步組裝，并實時在軌測量，確保裝配精度。利用在軌直接制造技術(shù)制備功能結(jié)構(gòu)或輔助結(jié)構(gòu)。通過三維虛擬重構(gòu)實現(xiàn)在軌建造過程的遠(yuǎn)程交互。因此在軌建造首先要考慮地面實施裝配集成試驗臺(Assembly intergration testbed，AIT)時應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)如何適應(yīng)空間環(huán)境。在空間實施AIT會對傳統(tǒng)工藝及技術(shù)帶來挑戰(zhàn)，同時會衍生出新的關(guān)鍵問題。

文獻(xiàn)[14]對大口徑空間望遠(yuǎn)鏡的在軌建造提出了一套解決方案。在軌建造望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)所需結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)特性包括大型、堅固、輕便、精確、動態(tài)穩(wěn)定。相關(guān)機(jī)器人操作和自主操作所涉及的結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)技術(shù)也是多年來發(fā)展的重點(diǎn)。

針對空間光學(xué)望遠(yuǎn)鏡在軌建造的結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)技術(shù)，總的來說有三點(diǎn)內(nèi)涵：

1)空間光學(xué)系統(tǒng)的主要功能和性能決定了在軌建造對結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)的要求；

2)在軌建造空間光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計方案要素一定涉及裝配、部署和空間操作方法；

3)不同空間光學(xué)系統(tǒng)類型所涉及的結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)有所不同。

據(jù)此，從技術(shù)特點(diǎn)描述、典型系統(tǒng)或部組件、關(guān)鍵技術(shù)三個角度，對在軌部署空間望遠(yuǎn)鏡主要涉及的結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)技術(shù)進(jìn)行說明，見表1,其中,在軌建造中所涉及的光電檢測、熱控、通信、供電、控制等技術(shù),因不是本文討論內(nèi)容,表中未列出。

通過表1的討論，在軌建造的結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)技術(shù)涉及到構(gòu)型優(yōu)化及模塊化、高精度展開、調(diào)整及鎖合、增材制造技術(shù)，以及輔助望遠(yuǎn)鏡建造的空間機(jī)器人等關(guān)鍵技術(shù)。

表1 望遠(yuǎn)鏡在軌建造的結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)技術(shù)特點(diǎn)Table 1 Characteristics of structure and mechanism technologies of ISA

2 大型望遠(yuǎn)鏡空間結(jié)構(gòu)拓展構(gòu)型優(yōu)化及模塊化技術(shù)

結(jié)構(gòu)構(gòu)型與光學(xué)系統(tǒng)的架構(gòu)密切相關(guān)。對于空間望遠(yuǎn)鏡而言，其宏觀上集成組裝模塊的劃分是比較清晰的，例如：支撐桁架、反射鏡、反射鏡安裝和控制接口、電源/數(shù)據(jù)接口等。

對于這些模塊的基本要求是：

1)尺寸確保能夠封裝在所選運(yùn)載火箭整流罩的體積中，模塊本身與運(yùn)載火箭無關(guān)；

2)模塊可以在發(fā)射前單獨(dú)測試；

3)具有高可靠性及高可維修性；

4)具有簡易的包裝特性；

5)具有統(tǒng)一的裝配接口及與操作互動特性；

6)具有較低的動力學(xué)動態(tài)響應(yīng)特性，或者說具備快速穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)力學(xué)特性。

具體到空間光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的典型組件即反射鏡組件，采用模塊化設(shè)計的概念，將鏡片組裝在相同的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上，實現(xiàn)接口的統(tǒng)一。這些模塊化產(chǎn)品必須在接口等方面能夠兼容，并具有一定程度的自主性；標(biāo)準(zhǔn)接口涉及的專業(yè)包括機(jī)械、電氣、電源、熱控和數(shù)據(jù)接口等，實現(xiàn)與其他服務(wù)系統(tǒng)對接，完成自主裝配。

針對望遠(yuǎn)鏡的承力結(jié)構(gòu)如鏡間結(jié)構(gòu)等，桁架構(gòu)型是實現(xiàn)這類大型空間結(jié)構(gòu)在軌建造的基礎(chǔ)構(gòu)型之一。文獻(xiàn)[19]研究、開發(fā)并飛行驗證了在太空組裝大型(5 m跨間尺寸)桁架結(jié)構(gòu)的能力。基于桁架構(gòu)型的模塊化設(shè)計，首先應(yīng)符合上文提到的在軌建造對結(jié)構(gòu)模塊的基本要求，其次要符合光學(xué)元件支撐的穩(wěn)定性要求，再者結(jié)構(gòu)拓?fù)錁?gòu)型的優(yōu)化以及模塊化設(shè)計需有利于宇航員或者空間機(jī)器人的操作。

對于空間望遠(yuǎn)鏡而言，構(gòu)型優(yōu)化和模塊化設(shè)計的主要對象是大型光學(xué)元件的在軌裝配檢測、大型空間結(jié)構(gòu)的在軌裝配，相關(guān)技術(shù)見表2。

表2 結(jié)構(gòu)構(gòu)型優(yōu)化及模塊化技術(shù)Table 2 Structural configuration optimization and modularization technology

3 光機(jī)結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)的高精度展開、調(diào)整及鎖合技術(shù)

除了模塊化的光機(jī)結(jié)構(gòu)組件設(shè)計形式外，發(fā)射階段壓縮折疊，在軌展開調(diào)整，是另外一種實現(xiàn)望遠(yuǎn)鏡在軌構(gòu)建的架構(gòu)形式?？臻g可展開結(jié)構(gòu)已向著大型化、輕量化和高精度的方向發(fā)展，高收納比、高比剛度是大型空間可展開結(jié)構(gòu)的重要特點(diǎn)。在空間遙感探測領(lǐng)域，針對SAR天線的展開、針對光學(xué)遙感遮陽罩/帆的展開、針對大型光學(xué)元件的展開及調(diào)整是主要的研究方向，并取得了在軌的試驗驗證經(jīng)驗。

面向在軌建造，這項技術(shù)的研究方向主要在以下三個方面需要更深入的研究：

1)面向模塊化設(shè)計及在軌操作的展開、調(diào)整及鎖合技術(shù)；

2)壓縮展開架構(gòu)下的快裝、調(diào)整及鎖合技術(shù)；

3)面向成像質(zhì)量的在軌調(diào)整技術(shù)，包括光學(xué)組件在軌的面型調(diào)整技術(shù)等。

在模塊化設(shè)計的理念下，快裝接口技術(shù)是在結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)自主對接或由機(jī)器人輔助對接中發(fā)揮重要作用的基礎(chǔ)技術(shù)。對于光學(xué)儀器而言，快裝接口的設(shè)計還需更加關(guān)注裝配精度。快裝接口一般包括機(jī)械接口、電器接口以及數(shù)據(jù)接口。

具體到可展開結(jié)構(gòu)的鎖緊技術(shù)中，常用的結(jié)構(gòu)形式有旋轉(zhuǎn)連接和閂鎖等。在軌鎖合機(jī)構(gòu)需關(guān)注連接結(jié)構(gòu)的微動力穩(wěn)定性，減小機(jī)構(gòu)間的間隙是提高連接機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性的途徑之一。比如JWST望遠(yuǎn)鏡采用粘結(jié)接頭提高望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)的在軌穩(wěn)定性，有效地提高了連接穩(wěn)定性。磁鎖緊技術(shù)則代表了另一種技術(shù)途徑，通過非接觸的作用力對連接機(jī)構(gòu)兩端建立穩(wěn)定約束，以達(dá)到穩(wěn)定連接的目的。

高精度調(diào)整是滿足光學(xué)精密儀器在軌建造的核心技術(shù)之一。調(diào)整技術(shù)主要針對主反射鏡和次鏡，包括鏡體的面型調(diào)整及鏡體的位置確定。對于分塊主鏡而言，其對共相位誤差非常敏感，特別是由定位偏差引起的隨機(jī)分塊位姿誤差。文獻(xiàn)[27]提出了由波前變形引起的位姿誤差的線性靈敏度矩陣，推導(dǎo)了變形的修正預(yù)測公式，并提出了一種加權(quán)公差分配方法，以降低位姿定相平臺的技術(shù)難度，從而實現(xiàn)鏡體的閉環(huán)調(diào)整。

在軌建造望遠(yuǎn)鏡涉及的高精度展開、調(diào)整及鎖合技術(shù)見表3。

表3 高精度展開、調(diào)整及鎖合技術(shù)Table 3 High precision development, adjustment and locking technology

4 望遠(yuǎn)鏡典型光機(jī)元件在軌增材制造技術(shù)

增材制造技術(shù)(Additive manufacturing，AM)，俗稱3D打印，為超大型空間結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)開辟了一個全新的思路。對于空間光學(xué)望遠(yuǎn)鏡而言，以不同制造精度的分級制造為理念，在軌增材制造從兩個角度討論：

1)輔助模塊化架構(gòu)的在軌實現(xiàn)，通過AM技術(shù)實現(xiàn)望遠(yuǎn)鏡輔助組件或非功能模塊的制造；

2)在軌精密加工，通過AM技術(shù)實現(xiàn)光機(jī)結(jié)構(gòu)、光學(xué)元件甚至電子學(xué)組件的制造。

面向在軌建造的AM技術(shù)已經(jīng)開展了大量的驗證。2011年，NASA啟動“在國際空間站試驗零重力環(huán)境下的3D打印技術(shù)”項目，2014年開展在軌驗證，空間增材制造(Additive manufacturing for space，AMFS)在各個領(lǐng)域的研究也逐漸深入。2017年6月，MIS(Made in Space, Inc.)成功完成了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)增材制造機(jī)(Extended structure additive manufacturing machine，ESAMM)的測試，并在2018年夏季將空間AM的技術(shù)成熟度(Technology readiness level，TRL)從3提高到6。

對于光學(xué)元件而言，通過AM制造參數(shù)的優(yōu)化等措施，可實現(xiàn)超薄鏡體的在軌精密制造，包括結(jié)合望遠(yuǎn)鏡在軌波前測量的結(jié)果，實現(xiàn)波前校正鏡的制造，宇航員或機(jī)器人可進(jìn)行在軌的光學(xué)像質(zhì)調(diào)試和維護(hù)。這能夠有效地提升系統(tǒng)的可實現(xiàn)性和運(yùn)行的魯棒性。

開展在軌的增材制造，一般需要考慮克服空間環(huán)境帶來的一系列問題，如熱變形、高功耗和加工污染揮發(fā)物等，以及考慮如何自主地開展增材制造。另一方面，面向在軌的增材制造，結(jié)構(gòu)設(shè)計要有針對性的優(yōu)化。其主要技術(shù)要素見表4。

表4 望遠(yuǎn)鏡典型結(jié)構(gòu)在軌制造的技術(shù)要素Table 4 Technical elements of structure in-space manufacturing

5 機(jī)器人輔助精密裝配及控制技術(shù)

空間的在軌裝配離不開機(jī)器人系統(tǒng)，從前文的討論可知，機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計與望遠(yuǎn)鏡的架構(gòu)設(shè)計是耦合的，是兩個相互依賴的系統(tǒng)，不能單獨(dú)的開展設(shè)計優(yōu)化。同時空間機(jī)器人是空間基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，從大類來講機(jī)器人分為在軌操作機(jī)器人、星表探測機(jī)器人。對于空間望遠(yuǎn)鏡的在軌建造而言，主要評估的是第一類，而這類機(jī)器人一般來說可以分為多足機(jī)器人、自由飛行機(jī)器人(Free flying space robot，F(xiàn)FSR)、機(jī)械臂式機(jī)器人等。機(jī)器人在軌建造望遠(yuǎn)鏡示意，如圖1所示。

圖1 機(jī)器人在軌建造空間光學(xué)望遠(yuǎn)鏡示意圖[48]Fig.1 Schematic diagram of robot building space optical telescope in orbit[48]

所有的空間機(jī)器人技術(shù)都面臨一些共同的技術(shù)難題，如空間環(huán)境對機(jī)器人傳感器的影響，機(jī)器人硬件、運(yùn)動軌跡及控制系統(tǒng)的局限性，長壽命、高可靠等。針對模塊化大口徑空間望遠(yuǎn)鏡裝配，空間機(jī)器人技術(shù)還需要滿足精確軌跡跟蹤和自動導(dǎo)航等重要需求。2019年，薩里航天中心提出了一種在軌道上進(jìn)行裝配作業(yè)的小型空間機(jī)器人的創(chuàng)新設(shè)計方案，主要是針對機(jī)器人開展了小型化設(shè)計。蘭利研究中心開展了空間系統(tǒng)機(jī)器人的自主裝配試驗。2020年初，歐盟委員會建立了空間機(jī)器人技術(shù)戰(zhàn)略研究集群(Space robotics technologies strategic research cluster，SRC)，提出了自主機(jī)器人系統(tǒng)在軌精確組裝大型望遠(yuǎn)鏡的方案。可見，在未來的空間任務(wù)中，自主是一個非常重要的關(guān)鍵詞，加上空間光學(xué)望遠(yuǎn)鏡固有的高精度，這便構(gòu)成了機(jī)器人輔助裝配系統(tǒng)的特點(diǎn)。

空間機(jī)器人輔助實現(xiàn)望遠(yuǎn)鏡裝配所涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：機(jī)構(gòu)與執(zhí)行器技術(shù)、移動與操作技術(shù)、傳感與感知技術(shù)、學(xué)習(xí)與適應(yīng)技術(shù)、控制與規(guī)劃技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)等，這在NASA的技術(shù)路線圖中也進(jìn)行了描述。

除具有通用性的系統(tǒng)級機(jī)器人技術(shù)外，本文還重點(diǎn)關(guān)注了“傳感與感知技術(shù)”、“控制與規(guī)劃技術(shù)”這兩類技術(shù)，見表5,其中,LQR表示線性二次型(Linear quadratic regulator),RRT表示快速搜索隨機(jī)樹(Rapidly-exploring random trees),MPC表示模型預(yù)測控制(Model predictive control)。

表5 機(jī)器人輔助自主精密裝配及控制技術(shù)Table 5 Robot-assisted autonomous precision assembly and control technology

6 趨勢與建議

大型空間光學(xué)望遠(yuǎn)鏡在軌制造技術(shù)，是未來空間基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，是開展空間探索最重要的基礎(chǔ)技術(shù)之一。在軌組裝的高適應(yīng)性，保證了空間基礎(chǔ)設(shè)施的魯棒性、兼容性和安全性，真正實現(xiàn)建造環(huán)境即使用環(huán)境的產(chǎn)品研制宗旨。

在空間光學(xué)望遠(yuǎn)鏡在軌建造這一領(lǐng)域，目前的成果主要集中在各項關(guān)鍵技術(shù)的獨(dú)立攻關(guān)和突破，其中結(jié)構(gòu)的拓?fù)潴w系和對接及操作機(jī)構(gòu)的高精度實現(xiàn)都還在持續(xù)開展研究；機(jī)器人自主裝配及增材制造技術(shù)通用性較強(qiáng)，面向空間望遠(yuǎn)鏡在軌建造的復(fù)雜交互和檢測標(biāo)定技術(shù)仍需加強(qiáng)研究；在軌建造標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)則相對遲緩，尚且未能形成關(guān)鍵領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)(例如機(jī)械、電氣、電力等)。

具體來說，空間光學(xué)望遠(yuǎn)鏡在軌建造的結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)技術(shù)主要應(yīng)圍繞以下四個方面：

1) 在軌組裝模塊集群構(gòu)型智能規(guī)劃及變構(gòu)技術(shù)；

2)高精度全鏡面精確對接及調(diào)整技術(shù)；

3)空間望遠(yuǎn)鏡超薄鏡體在軌增材制造技術(shù)；

4)復(fù)雜場景下機(jī)器人組裝高精度末端智能感知及執(zhí)行技術(shù)等。

面向遠(yuǎn)景目標(biāo)，在軌可重構(gòu)的架構(gòu)思想是個非常重要的概念，這包括了可調(diào)控的反射鏡技術(shù)、柔性反射鏡的增材制造技術(shù)、自主智能精細(xì)組裝與控制技術(shù)等。

7 結(jié)束語

基于世界各國空間光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的在軌建造，本文在體系架構(gòu)級、專業(yè)技術(shù)級的關(guān)鍵技術(shù)及其討論的基礎(chǔ)上，明確了在軌建造結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)未來的技術(shù)難點(diǎn)和重點(diǎn)，并提出了可重構(gòu)思想。通過對關(guān)鍵技術(shù)的梳理，希望對未來的行業(yè)發(fā)展乃至國家層面路線圖的設(shè)計提供有益參考。