彭祺擘,武新峰,王北超,李爽,*

1.中國航天員科研訓(xùn)練中心,北京 100094 2.南京航空航天大學(xué) 航天學(xué)院,南京 211106

1 引言

航天任務(wù)需求的不斷提高對航天器的任務(wù)能力提出了更高要求,其本質(zhì)在于深化航天器的系統(tǒng)性能。有效載荷是航天器系統(tǒng)的重要組成部分,對有效載荷的選擇及其應(yīng)用性能的設(shè)計將直接影響航天任務(wù)的實現(xiàn)[1]。當前的航天任務(wù)場景復(fù)雜且種類繁多,這要求航天器的有效載荷具備多樣性,使系統(tǒng)趨向多功能化。但傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計使得航天器的拓撲結(jié)構(gòu)及其活動度相對固定,難以用于變環(huán)境、多工況的任務(wù)場景,還會受到運載火箭的多器發(fā)射與直接入軌能力以及結(jié)構(gòu)承載性能的限制。因此,開發(fā)航天器的在軌構(gòu)型重構(gòu)是十分必要的[2]。

構(gòu)型重構(gòu)技術(shù)能夠使航天器根據(jù)不同環(huán)境和任務(wù)進行自適應(yīng)構(gòu)型變換,通過增減某些結(jié)構(gòu)模塊或重新組合現(xiàn)有模塊,由當前構(gòu)型迅速變換為另幾種適應(yīng)新環(huán)境、新任務(wù)的構(gòu)型[3]。利用模塊變換可對任務(wù)目標進行擴展或更改,使航天器具備新的任務(wù)能力。相比于傳統(tǒng)航天器,可重構(gòu)航天器真正實現(xiàn)了“一體多能”,能夠滿足變環(huán)境、多工況的任務(wù)需求,同時實現(xiàn)資源節(jié)約和能耗降低[4]。

特別地,構(gòu)型重構(gòu)技術(shù)將有利于航天器開展在軌服務(wù),通過采用模塊化分系統(tǒng)、設(shè)備和器件完成在軌更換、維修和升級等操作[5]。構(gòu)型重構(gòu)技術(shù)使航天器具備了高冗余特性和魯棒性,用冗余模塊替換故障模塊即可實現(xiàn)快速修復(fù),降低了在軌維護的難度[6]。此外,構(gòu)型重構(gòu)技術(shù)能夠改變航天器的運動方式以適應(yīng)不同的任務(wù)場景,而某些特殊載荷也將具備隱蔽功能,這體現(xiàn)了較強的自適應(yīng)性。構(gòu)型重構(gòu)技術(shù)還能提升航天器的經(jīng)濟性,可重構(gòu)航天器由大量基礎(chǔ)模塊構(gòu)成,可采用批量化研制,有效降低了生產(chǎn)成本。憑借上述特性,構(gòu)型重構(gòu)技術(shù)將在航天工程中擁有廣闊的應(yīng)用前景。

綜上所述,航天器構(gòu)型重構(gòu)技術(shù)具有重大的研究意義,但目前對于該技術(shù)的完整綜述很少。鑒于航天器構(gòu)型重構(gòu)研究的必要性,本文對構(gòu)型重構(gòu)技術(shù)展開綜述。主要基于結(jié)構(gòu)與功能一體化和主結(jié)構(gòu)變構(gòu)型技術(shù),論述了細胞化、模塊化等先進設(shè)計理念的研究現(xiàn)狀?；跇藴驶K設(shè)計和重構(gòu)規(guī)劃等方法,進一步歸納了構(gòu)型重構(gòu)技術(shù)體系。隨后,概括了構(gòu)型重構(gòu)技術(shù)在航天器故障排除和功能更新等方面的應(yīng)用前景。最后對構(gòu)型重構(gòu)技術(shù)研究進行總結(jié)與展望,旨在為該技術(shù)的未來發(fā)展提供參考。

2 構(gòu)型重構(gòu)內(nèi)涵及分類

2.1 構(gòu)型重構(gòu)內(nèi)涵

航天器構(gòu)型重構(gòu)是指航天器入軌后通過主結(jié)構(gòu)解鎖、變形和主結(jié)構(gòu)再鎖定等重構(gòu)步驟,從發(fā)射構(gòu)型變化到工作構(gòu)型的過程[7]。航天器構(gòu)型重構(gòu)是一種綜合性的航天技術(shù),能夠按照自身結(jié)構(gòu)分解和重組進行規(guī)劃,利用子系統(tǒng)和模塊進行重排、更替和嵌套等方式實現(xiàn)系統(tǒng)的重新組態(tài),以適應(yīng)空間環(huán)境變化和多種任務(wù)需求[8]。航天器構(gòu)型重構(gòu)需綜合考慮各模塊結(jié)構(gòu)的劃分原則和組合設(shè)計方法[9],以及多任務(wù)中的模塊結(jié)構(gòu)、載荷和資源等要素的變化規(guī)律[10]。航天器構(gòu)型重構(gòu)實質(zhì)上是多要素的有機再整合,系統(tǒng)各部分經(jīng)多次關(guān)聯(lián)協(xié)調(diào),最終形成面向?qū)嶋H工況的高效整體。

基于上述原理,航天器構(gòu)型重構(gòu)能夠解決目前存在的關(guān)鍵問題,例如載荷安裝空間需求大[11]等問題。重構(gòu)載荷艙具有自重構(gòu)功能,在發(fā)射時重構(gòu)結(jié)構(gòu)收攏于主結(jié)構(gòu),以滿足發(fā)射包絡(luò)要求,入軌后重構(gòu)結(jié)構(gòu)按要求進行展開,進而實現(xiàn)載荷艙的在軌重構(gòu)。此外,構(gòu)型重構(gòu)還能滿足多載荷的視場和指向等需求[12]。

2.2 構(gòu)型重構(gòu)分類

在航天器構(gòu)型重構(gòu)的綜合研究中,重構(gòu)設(shè)計方法各異,尤其是面向?qū)嶋H的多工況功能需求,至今還沒有一套系統(tǒng)、普適的方法。宏觀上對于航天器構(gòu)型重構(gòu)一般可基于重構(gòu)主體以及結(jié)構(gòu)與功能進行分類(圖1)。

(1)基于重構(gòu)主體分類

基于重構(gòu)主體的差異,航天器構(gòu)型重構(gòu)包括多艙段重構(gòu)和航天器本體重構(gòu)。首先,多艙段任務(wù)中需要航天器協(xié)同完成接近、校正和鎖緊等操作,在對接完成后航天器各模塊通過重構(gòu)機構(gòu)形成面向特定工況的組合體[13-14]。其中,空間交會對接技術(shù)是大型航天器完成在軌裝配、維修和燃料補給等多目標任務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)[15],對接與轉(zhuǎn)位機構(gòu)是空間站的重要組成部分,承擔(dān)著各艙段間的對接、分離、轉(zhuǎn)位和再對接等任務(wù)[16]。例如空間站、太空燃料站[17]等艙段的交會對接。國際空間站利用該技術(shù)還直接完成了桁架、太陽電池翼板和艙段的組裝任務(wù)。此外在阿波羅登月任務(wù)中,地球和月球軌道上分別實現(xiàn)了一次交會對接,這能夠區(qū)分和獨立登月飛行器與返回飛行器的特有功能,進而大幅降低對運載火箭的能力需求。多艙段航天器通過構(gòu)型重構(gòu)能夠形成一體化的航天結(jié)構(gòu),能充分利用自身的功能性直接完成特定的航天任務(wù)。

另一方面,航天器還能通過自身機構(gòu)的運動實現(xiàn)結(jié)構(gòu)和載荷模塊的重新布局。本體重構(gòu)根據(jù)主結(jié)構(gòu)的變化情況又分為兩種:1)主結(jié)構(gòu)不變,僅星體表面的組件和載荷模塊進行展開或收攏,例如可展開天線陣列和成像系統(tǒng)的構(gòu)型變化等[18];2)主結(jié)構(gòu)改變,包括可重構(gòu)空間望遠鏡和太陽能電站的構(gòu)型變換等[19]。此類結(jié)構(gòu)一般屬于體裝結(jié)構(gòu),即在航天器上直接安裝本體模塊和可變形結(jié)構(gòu),入軌后可沿導(dǎo)軌進行構(gòu)型重構(gòu)。相比之下,航天器本體重構(gòu)更能凸顯構(gòu)型重構(gòu)的模塊化特征,且鑒于空間交會對接技術(shù)發(fā)展十分成熟,已成為一項獨立研究的技術(shù),因此側(cè)重于航天器本體重構(gòu)的研究是十分必要的。

圖1 航天器構(gòu)型重構(gòu)分類Fig.1 Classification of spacecraft reconfiguration

(2)基于結(jié)構(gòu)與功能分類

在可重構(gòu)航天器平臺中,平臺的結(jié)構(gòu)部分提供變構(gòu)型前后的承載和接口功能,機構(gòu)部分則提供變構(gòu)型中及變構(gòu)型后的驅(qū)動、鎖緊和釋放功能[11]。按結(jié)構(gòu)和功能的不同,航天器構(gòu)型重構(gòu)可分為航天器載荷艙結(jié)構(gòu)重構(gòu)與功能機構(gòu)重構(gòu)兩部分[20]。結(jié)構(gòu)重構(gòu)包括固定結(jié)構(gòu)與可展開結(jié)構(gòu)重構(gòu),其中固定結(jié)構(gòu)是指固定基座部分(主結(jié)構(gòu)靜架),通常為箱板組合結(jié)構(gòu),用于承載航天器的大部分有效載荷;可展開結(jié)構(gòu)由多個外形與接口基本相同的分支組成(主結(jié)構(gòu)動架),主要為板梁組合結(jié)構(gòu),一般用于安裝航天器的相關(guān)技術(shù)設(shè)備。

功能機構(gòu)是航天器平臺的重要組成部分,其中驅(qū)動機構(gòu)由驅(qū)動組件、傳動系統(tǒng)、根部鉸鏈和輔助支撐等組成,是實現(xiàn)可展開結(jié)構(gòu)展開及鎖定功能的機構(gòu)。功能機構(gòu)重構(gòu)主要包含驅(qū)動機構(gòu)、鎖定機構(gòu)和鉸鏈重構(gòu),以太陽電池陣的驅(qū)動機構(gòu)重構(gòu)為例,該重構(gòu)是根據(jù)姿態(tài)與軌道控制分系統(tǒng)的指令,驅(qū)動大型電池陣實現(xiàn)對日指向,同時將獲取的太陽能通過功率導(dǎo)電環(huán)傳輸至航天器本體,以滿足航天器各個部件的能源需求[21]。此外對于某些高精度、高穩(wěn)定度需求的在軌任務(wù),驅(qū)動機構(gòu)重構(gòu)將有利于太陽帆在軌道周期內(nèi)按照特定規(guī)律進行轉(zhuǎn)動[22],改變作用于太陽帆上太陽輻射的大小和方向[23],既能減小航天器的燃料消耗,又提高了任務(wù)精度。

3 構(gòu)型重構(gòu)技術(shù)研究進展

21世紀初,美國、日本和德國等國家開始對航天器構(gòu)型重構(gòu)技術(shù)進行研究,分別提出了細胞衛(wèi)星(CellSat)、超級機器人(SuperBot)和衛(wèi)星智能模塊(iBOSS)等概念,并進一步開發(fā)了在軌服務(wù)和星表探測等典型應(yīng)用[24-27]。相比之下,國內(nèi)對于構(gòu)型重構(gòu)技術(shù)的相關(guān)研究起步較晚,研究成果較少。目前,航天器構(gòu)型重構(gòu)技術(shù)主要包括外圍變構(gòu)型、結(jié)構(gòu)與功能一體化變構(gòu)型和主結(jié)構(gòu)變構(gòu)型技術(shù)。

3.1 外圍變構(gòu)型技術(shù)

外圍變構(gòu)型技術(shù)屬于航天器構(gòu)型重構(gòu)技術(shù)的初級研究,是指直接對航天器表面的部分組件和載荷模塊進行安裝或移除等操作。外圍變構(gòu)型技術(shù)采用的主要方式包括抽屜式、外掛式和可開合艙門式。

1)抽屜式:將載荷模塊直接嵌入航天器的結(jié)構(gòu)內(nèi)部,更換過程中利用空間機械臂實現(xiàn)模塊的插入和拔除[28],如圖2所示。

圖2 抽屜式構(gòu)型[28]Fig.2 Drawer-type configuration[28]

2)外掛式:將載荷模塊外掛于航天器的結(jié)構(gòu)外部,更換過程中直接完成表面結(jié)構(gòu)的移除和安裝操作,如圖3所示。

圖3 外掛式構(gòu)型Fig.3 Add-on-type configuration

3)可開合艙門式:將載荷模塊置于航天器的艙室內(nèi)部,更換過程中艙門打開為在軌服務(wù)提供通路,服務(wù)完成后艙門關(guān)閉[29],如圖4所示。

圖4 可開合艙門式構(gòu)型[29]Fig.4 Openable and closable hatch-type configuration[29]

特別是,中國北京空間飛行器總體部在“十二五”裝備預(yù)研項目中,集成應(yīng)用多功能結(jié)構(gòu)技術(shù)和大負載高剛度、高精度重構(gòu)機構(gòu)技術(shù),自主研制了一套重構(gòu)載荷艙工程樣機,該項目綜合應(yīng)用了可開合艙門式和外掛式的研制思路,相較于單純的外圍變構(gòu)型具有更強的功能性。相比之下,可開合艙門式可為載荷模塊提供較好的工作環(huán)境,但具有更高的技術(shù)難度,對執(zhí)行機構(gòu)要求較高。抽屜式和外掛式對執(zhí)行機構(gòu)的要求較低,其中抽屜式可用于小型模塊的更換,外掛式構(gòu)型則更適用于大型模塊。

3.2 結(jié)構(gòu)與功能一體化變構(gòu)型技術(shù)

結(jié)構(gòu)與功能一體化變構(gòu)型技術(shù)是指航天器系統(tǒng)的可變形結(jié)構(gòu)具備了特定功能,同時采用一體化的設(shè)計方法。目前,該技術(shù)在構(gòu)型重構(gòu)研究中發(fā)展迅速、成熟度較高,已涵蓋超級機器人、細胞衛(wèi)星和蜂窩衛(wèi)星等多種先進研究,以及在軌維護和星表探測等典型應(yīng)用,這將在本節(jié)進行重點論述。

(1)超級機器人

超級機器人是由美國南加州大學(xué)和NASA共同研制的一款新型可重構(gòu)空間機器人,采用了模塊化和自配置的方法以實現(xiàn)低成本、多功能和自適應(yīng)能力[30]。SuperBot由多模塊結(jié)構(gòu)組成,每個模塊有3個關(guān)節(jié),中間關(guān)節(jié)可沿正反兩個方向連續(xù)旋轉(zhuǎn),其余兩個端部關(guān)節(jié)均能旋轉(zhuǎn)±90°(圖5)。多關(guān)節(jié)設(shè)計能夠為SuperBot的每個模塊提供高靈活性,可充當萬向節(jié)機構(gòu),使模塊在無需任何外部協(xié)助的情況下動態(tài)改變其形狀和移動狀態(tài)。

圖5 超級機器人的模塊設(shè)計[30]Fig.5 Design of the SuperBot module[30]

SuperBot模塊使多模態(tài)轉(zhuǎn)換更加靈活,例如將中間關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)90°,可分別轉(zhuǎn)換為MTRAN形狀(M模塊)和CONRO形狀(C模塊)。SuperBot的多模塊可組成多種構(gòu)型以實現(xiàn)多形態(tài)運動,同時適應(yīng)不同的環(huán)境條件、運動速度和供能效率?；诓煌哪繕巳蝿?wù),SuperBot模塊能自動配置到不同系統(tǒng)中,可配置系統(tǒng)的構(gòu)型包括:滾動軌道或車輪(用于正常在軌運行)、蜘蛛或蜈蚣(表面攀爬)、蛇(挖洞)、長臂(用于檢查和維修)以及微重力環(huán)境中的飛行形態(tài)等(圖6)。

圖6 超級機器人的環(huán)形和爬蟲形構(gòu)型Fig.6 Annular and crawler configuration of the SuperBot

(2)細胞衛(wèi)星

細胞衛(wèi)星(CellSat)[31]是一種新概念納衛(wèi)星,是實現(xiàn)可持續(xù)空間系統(tǒng)的重要解決方案。CellSat由多個積木形狀的細胞單元組成,具有可重構(gòu)的體系架構(gòu),能夠?qū)崿F(xiàn)遙感、通信等功能。細胞單元比傳統(tǒng)模塊更小,是由模塊拆分成的更小功能單元,兼具電池、處理器和通信單元的功能,能進行重組以實現(xiàn)特定功能。憑借獨特的細胞化設(shè)計,CellSat具備了極高的靈活性,相比于傳統(tǒng)衛(wèi)星擁有更多的配置方式[32]。CellSat的細胞化特性包括:1)結(jié)構(gòu)標準化;2)構(gòu)型多樣化;3)即插即用性(快速完成自我替換和系統(tǒng)修復(fù));4)連接機構(gòu)的可靠性;5)易于機器人識別和操作(CellSat的組裝和維護通過空間機器人完成);6)結(jié)構(gòu)輕巧;7)內(nèi)部空間充足。CellSat的總線單元同樣具有標準化特性,這使得CellSat的研發(fā)更加高效,批量化生產(chǎn)將成為現(xiàn)實。

基于CellSat的優(yōu)良特性,日本東京大學(xué)于2005年提出利用CellSat和在軌服務(wù)機器人(OSR)共同構(gòu)建新型可重構(gòu)空間系統(tǒng)[31](圖7)。其中,OSR承擔(dān)著衛(wèi)星組裝、拆卸、加油和重新配置任務(wù),CellSat可多次抵達OSR進行適當?shù)木S護,結(jié)束后再返回工作循環(huán)。CellSat所需的空間資源將會定期從地球發(fā)送到OSR上。故障衛(wèi)星和耗盡的模塊由OSR負責(zé)脫軌,將不會變成空間碎片。可重構(gòu)空間系統(tǒng)也能持續(xù)更新CellSat的結(jié)構(gòu)、設(shè)備與燃料,使衛(wèi)星處于最新狀態(tài),能隨時進行在軌重構(gòu)以滿足任務(wù)需求[33]。

圖7 可重構(gòu)空間系統(tǒng)概念圖Fig.7 Conceptual diagram of reconfigurable space system

(3)蜂窩衛(wèi)星

在細胞衛(wèi)星的基礎(chǔ)上,美國國防部高級研究計劃局(DARPA)提出了一種新型衛(wèi)星單元—蜂窩衛(wèi)星Satlet[34]。每個Satlet都能提供衛(wèi)星整體功能的一部分,當硬軟件聚合時即可實現(xiàn)完整功能[35]。DARPA的鳳凰計劃正在開發(fā)這種新型衛(wèi)星,并通過空間機器人的在軌服務(wù)進行驗證,結(jié)果表明,Satlet不受運載工具、有效載荷和軌道的限制。若將Satlet用作大多數(shù)航天器的基本單元,那將在無性能損耗和低成本的情況下實現(xiàn)高質(zhì)量的在軌服務(wù)。

微納星的標準化為推動航天器硬件和有效載荷的小型化提供了良好的平臺,但它是以犧牲系統(tǒng)的某些性能為代價的。模塊化航天器的接口標準化具有一定的價值,但仍需對眾多異構(gòu)模塊進行附加性測試,因此傳統(tǒng)的微納星模塊化方案似乎不能為空間系統(tǒng)提供新的可持續(xù)市場。作為鳳凰計劃的支柱產(chǎn)業(yè),Satlet的研發(fā)能夠解決上述問題,使得衛(wèi)星行業(yè)能從硬軟件接口標準化和大規(guī)模生產(chǎn)的商業(yè)杠桿中獲益。結(jié)合鳳凰計劃首個階段技術(shù)發(fā)展中衛(wèi)星的尺寸和性能估計,僅美國發(fā)射的衛(wèi)星就可以創(chuàng)造每年2000～8000顆Satlet的市場需求,而全球市場可達到每年10000～40000顆衛(wèi)星的需求,這種可持續(xù)生產(chǎn)將極大推動衛(wèi)星行業(yè)的發(fā)展[36]。

特別是,鳳凰計劃在一項試驗中將Satlet應(yīng)用于構(gòu)建大型空間反射器系統(tǒng)。根據(jù)Satlet的功能性將其分為若干組,其中異構(gòu)組包含了不同功能模塊,例如一組攜帶動力單元和處理器,另一組攜帶處理器、數(shù)據(jù)存儲和推進器,而同構(gòu)組均包含了航天器功能的一部分。結(jié)果表明,Satlet提高了反射器系統(tǒng)的收納比,展開后具有高剛度及穩(wěn)定性。采用獨立模塊能擴大信息傳輸容量,進而實現(xiàn)高分辨率遙感。因此,蜂窩衛(wèi)星能夠讓衛(wèi)星的有效載荷在任務(wù)工況中發(fā)揮出更高的性能。

(4)Seasat SAR天線陣列

NASA噴氣推進實驗室(JPL)首次發(fā)射了載有合成孔徑雷達(synthetic aperture radar,SAR)的海洋資源探測衛(wèi)星Seasat[37]。Seasat通過在平臺上搭載天線來發(fā)射和接收電磁波來探測海洋目標對電磁波的調(diào)制特性,其平面天線陣列由8塊大型可展開相控陣構(gòu)成,陣列天線的展開尺寸可達10.74m×2.16m,而收攏尺寸僅為1.34m×2.16m。

Seasat在空間運行105天,采用了重復(fù)軌道干涉模式,首次從空間獲取了海洋雷達干涉測量數(shù)據(jù)。該衛(wèi)星不受光照和氣候條件等限制,能夠?qū)崿F(xiàn)全天時、全天候的高分辨率對海觀測。

(5)花瓣式可展開成像系統(tǒng)

花瓣式可展開成像系統(tǒng)是一種典型的可重構(gòu)航天器平臺,以Golay-3、GSFC和Lidar成像系統(tǒng)為代表。這類系統(tǒng)一般由多組子鏡組成,一般呈中心對稱布局,即中間子鏡維持不變,外側(cè)子鏡和次鏡進行展開或收攏。

Golay-3成像系統(tǒng)(圖8)由4組子鏡構(gòu)成,外側(cè)3組次鏡可折疊,相對于中心1組子鏡成120°均勻分布[38]。GSFC與Golay-3類似,同為中心對稱布局,差別則是前者由“1+8”組子鏡構(gòu)成,8組次鏡的折疊方式與Golay-3也存在差異,8組次鏡可交替折疊在中央的正八邊形子鏡的上側(cè)或下側(cè)[39]。

Lidar成像系統(tǒng)(圖9)是NASA蘭利研究中心和科羅拉多大學(xué)于20世紀90年代末提出。Lidar系統(tǒng)采用“1+6”中心對稱布局形式,1組中央子鏡采用六邊形構(gòu)型,6組次鏡采用四邊形構(gòu)型,收攏或展開靠執(zhí)行機構(gòu),次鏡向上折疊以較低的發(fā)射狀態(tài)解決火箭發(fā)射包絡(luò)的限制。

圖9 Lidar成像系統(tǒng)的構(gòu)型重構(gòu)Fig.9 Reconfiguration of the Lidar imaging system

(6)可重構(gòu)探測機器人

在航天器構(gòu)型重構(gòu)中,功能機構(gòu)的解鎖、展開、鎖定和多自由度部件的在軌組裝,都需要配備靈活且可靠的空間機器人[40]和高精度機械臂[41]。然而空間機器人的耗能較高,在復(fù)雜環(huán)境中很難實現(xiàn)長時間、大范圍的設(shè)施建設(shè)與維護[42]。因此依托于機器人技術(shù)的發(fā)展,可重構(gòu)空間機器人應(yīng)運而生。

目前,可重構(gòu)空間機器人主要用于月球等星球的表面環(huán)境與資源探測任務(wù)。如圖10所示,ESA研發(fā)的可重構(gòu)月球車[43]通過6個驅(qū)動輪的構(gòu)型變化實現(xiàn)了多足爬行和機械臂工作的多重構(gòu)形態(tài),具有較強的靈活性和穩(wěn)定性。隨后DLR提出了模塊化多機器人月面探測[44]的概念,其探測任務(wù)由四輪機器人Sherpa和六足機器人Crex共同執(zhí)行,二者能完全獨立工作,也可通過機電接口重構(gòu)為綜合勘探多機器人系統(tǒng)(圖11)[45]。相比之下,該系統(tǒng)還能實現(xiàn)初級人工智能,如識別和繞過障礙物等操作。

圖11 德國可重構(gòu)多機器人綜合勘探系統(tǒng)[44-45]Fig.11 Reconfigurable multi-robot integrated exploration system of the DLR[44-45]

上述可重構(gòu)空間機器人均具備了高度的自主性和極強的環(huán)境適應(yīng)性,在復(fù)雜的月面地形中仍能滿足星表探測和土壤采集等任務(wù)需求,此外還能同時完成高價值目標的精細化維護,包括燃料補給、物資運輸、模塊更換與重構(gòu)利用等工作[46],這對于可持續(xù)的星表探測具有重大意義。

綜上所述,結(jié)構(gòu)與功能一體化變構(gòu)型技術(shù)已獲得廣泛的研究與應(yīng)用,這將極大推動航天器構(gòu)型重構(gòu)技術(shù)的發(fā)展。值得注意的是,結(jié)構(gòu)與功能一體化變構(gòu)型是特定載荷為了適應(yīng)火箭發(fā)射包絡(luò)所進行的自重構(gòu),比如大型SAR天線和成像系統(tǒng),均屬于航天器構(gòu)型的定制設(shè)計。因此鑒于各類航天器的結(jié)構(gòu)與功能存在一定差異,細胞衛(wèi)星、蜂窩衛(wèi)星等先進理念的應(yīng)用拓展將具有很高的研究價值。

3.3 主結(jié)構(gòu)變構(gòu)型技術(shù)

多年來,航天器的主結(jié)構(gòu)設(shè)計主要面向克服發(fā)射階段的力學(xué)載荷展開[47],而在軌服務(wù)中航天器構(gòu)型的功能需求是“對天、對地”面積大,這本身就是一對矛盾。前一載荷的發(fā)射要為后面的載荷騰出空間,以達到最優(yōu)的發(fā)射姿態(tài)。且功能的高度需求要求航天器有效載荷的布局空間更大,即確保多載荷布局[48]。另外,對于航天器關(guān)鍵模塊的在軌維護,現(xiàn)有的機械臂操作空間有限,尤其模塊位于航天器主體內(nèi)部時將無法進行維護操作[49]。因此面向上述挑戰(zhàn),主結(jié)構(gòu)變構(gòu)型技術(shù)應(yīng)運而生。

(1)多任務(wù)模塊化航天器

對主結(jié)構(gòu)變構(gòu)型技術(shù)的研究可追溯至20世紀70年代,NASA首次提出了適用于多任務(wù)的模塊化航天器(multi-mission modular spacecraft,MMS)[50]的設(shè)計理念,如圖12所示。MMS是一種典型的主結(jié)構(gòu)變構(gòu)型系統(tǒng),將姿態(tài)控制、通信與數(shù)據(jù)處理、電源、熱控模塊等標準子系統(tǒng)進行重新組合,兼具在軌裝配、維修和升級等功能,能有效延長航天器的運行壽命,并增強系統(tǒng)的魯棒性。

圖12 MMS模塊化子系統(tǒng)Fig.12 The MMS modular subsystem

(2)衛(wèi)星智能模塊

2010年,DLR開展了衛(wèi)星智能模塊(iBOSS)項目[51],旨在利用在軌服務(wù)航天器將智能模塊立方體裝配成模塊化可重構(gòu)航天器。iBOSS從傳統(tǒng)衛(wèi)星發(fā)展成標準化、智能化的構(gòu)型模塊衛(wèi)星,每個標準化模塊均包含了重要的系統(tǒng)組件,通過構(gòu)型重構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的功能拓展與維護。

如圖13所示,智能空間系統(tǒng)接口(ISSI)是iBOSS衛(wèi)星的核心組件,這種多功能接口能在各模塊、星載部件和有效載荷間建立機械、信息和能量的聯(lián)結(jié)。其中外側(cè)4個角點均配有一套機械接口,每套包括2組導(dǎo)向/鎖緊裝置,鎖扣與局部凹槽的配對設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)鎖定與解鎖。模塊安裝面的中心位置還配有多個電/信息接口,在組裝角點機械接口時這些接口也能進行同步連接。功能聯(lián)結(jié)的整體性和可操作性是iBOSS的關(guān)鍵原則,也是在軌服務(wù)的重點需求。

圖13 iBOSS單元衛(wèi)星[51]Fig.13 The iBOSS element satellite[51]

(3)空間維護維修平臺

標準化接口技術(shù)的迭代和即插即用技術(shù)的發(fā)展已成為主結(jié)構(gòu)變構(gòu)型技術(shù)發(fā)展的必要條件?？臻g維修維護平臺(space maintenance and repair technique,SMART)由美國國防部主導(dǎo)的SCOUT計劃支持,其核心技術(shù)體現(xiàn)在SMARTBus總線的設(shè)計上,總線可為模塊化航天器系統(tǒng)提供一系列機/電/邏輯(互操作性/軟件)標準?；谠摌藴恃邪l(fā)出了多六邊形模塊堆棧結(jié)構(gòu),每個模塊均可執(zhí)行特定的子系統(tǒng)功能,通過總線聯(lián)結(jié)以實現(xiàn)整體功能。SMART的研發(fā)能夠解決航天器局部模塊的在軌維護問題。

(4)可展開航天器HEXPAK

HEXPAK也是基于模塊化設(shè)計理念的一種可展開航天器[52],由美國Lockheed Martin公司專門為空間快速響應(yīng)任務(wù)所研制。HEXPAK繼承了現(xiàn)有的可重構(gòu)系統(tǒng)部件,板艙間統(tǒng)一采用鉸鏈連接,所有的供配電纜都被嵌入底板夾層,并在底板設(shè)計了標準規(guī)格的機械鎖緊機構(gòu),便于繼承性部件的安裝和測試。HEXPAK采用多層大型可展開結(jié)構(gòu),通過主結(jié)構(gòu)重構(gòu)的方式增大了單元內(nèi)的熱控輻射面積,最優(yōu)利用了火箭整流罩內(nèi)容積和航天器可裝配空間。

(5)可重構(gòu)空間望遠鏡

主結(jié)構(gòu)變構(gòu)型技術(shù)也能同樣應(yīng)用于太空觀測任務(wù)中。為實現(xiàn)更深入的太空觀測,目前正在推進開發(fā)光學(xué)直徑大于10m的空間望遠鏡[53](Hubble望遠鏡的主鏡直徑約為2.4m),這類帶有大型主鏡的空間望遠鏡有望擴大人類對宇宙的認知。

英國薩里大學(xué)和美國加州理工學(xué)院聯(lián)合開展了太空觀測衛(wèi)星的在軌重構(gòu)研究,使用2顆搭載高精度自適應(yīng)反射鏡的3U立方星和1顆15U的主平臺衛(wèi)星進行可重構(gòu)空間望遠鏡的自主裝配(AAReST)[54],進入軌道后這些衛(wèi)星可重新配置成一個超大型分段式光圈。AAReST采用主聚焦設(shè)計(焦距1.2m,視野0.3°),主鏡稀疏孔由多個直徑為10cm的圓形反射鏡組成。在滿足初始校準和成像要求后,立方星攜帶的兩個反射鏡將從鏡組中分離并進行重新定位,儀表組重新組裝后將再次執(zhí)行鏡面校準和成像。試驗結(jié)果證明了AAReST能夠以較低成本通過直接裝載實現(xiàn)最佳成像任務(wù)。

(6)多旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)空間太陽能電站

為實現(xiàn)太陽能的大規(guī)模開發(fā)利用,國際上開展了空間太陽能電站(space solar power station,SSPS)的相關(guān)研究。SSPS能夠持續(xù)接收太陽能,不受季節(jié)和晝夜變化影響,且接收的能量密度高,是地面平均光照功率的7-12倍,還能實現(xiàn)穩(wěn)定的無線能量傳輸[55]。SSPS將徹底改變?nèi)祟惈@取能源的方式,帶來新能源、新材料和光電技術(shù)等多領(lǐng)域的重大創(chuàng)新。

基于主結(jié)構(gòu)變構(gòu)型技術(shù),錢學(xué)森空間技術(shù)實驗室于2014年提出了多旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)空間太陽能電站的設(shè)計方案(multi-rotary joints SSPS)[56]。如圖14所示,電站系統(tǒng)由太陽能收集與轉(zhuǎn)換、電力傳輸和信息管理等7個分系統(tǒng)構(gòu)成,太陽電池陣、微波發(fā)射天線等主結(jié)構(gòu)均采用模塊化設(shè)計理念,便于系統(tǒng)制造和在軌裝配。電站采用多個獨立的太陽電池子陣和中等功率的導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的整體式陣列,解決了目前大功率導(dǎo)電關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)的技術(shù)難題和關(guān)節(jié)單點失效問題。此外,電站還使用大型動量輪控制各電池子陣的對日定向,降低了推力器的使用數(shù)量和燃料消耗。

圖14 多旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)空間太陽能電站方案[56]Fig.14 Scheme of the multi-rotary joint SSPS[56]

主結(jié)構(gòu)變構(gòu)型技術(shù)能夠根據(jù)空間任務(wù)需求的差異,實現(xiàn)航天器模塊化設(shè)計、縮短測試流程和研制周期等目標。然而,這類航天器大多未經(jīng)歷在軌運行試驗,目前仍處于樣機研制與技術(shù)驗證階段。

基于上述研究,模塊化和細胞化已成為航天器構(gòu)型重構(gòu)技術(shù)的核心發(fā)展理念,這使航天器兼具靈活性強、功能豐富和操作簡便等優(yōu)勢,將更好地完成在軌服務(wù)和星表探測等重大空間任務(wù)。模塊化航天器將成為新一代航天器的設(shè)計模式,對航天工程領(lǐng)域的科學(xué)探索意義重大。同時,研制細胞衛(wèi)星可以極大降低衛(wèi)星的研發(fā)費用,實現(xiàn)批量化生產(chǎn)。

4 構(gòu)型重構(gòu)技術(shù)體系

4.1 標準化模塊航天器設(shè)計技術(shù)

標準化模塊設(shè)計將成為未來航天器構(gòu)型重構(gòu)技術(shù)的主流發(fā)展趨勢[57]。標準化模塊航天器由多個功能獨立、構(gòu)型相同、具有標準接口的功能模塊組成,各模塊間具有可連接性和互換性,能進行連接、分離和置換以改變構(gòu)型,在保持整體連通性的同時擴展運動形式和功能。基于主結(jié)構(gòu)變構(gòu)型技術(shù),標準化模塊衛(wèi)星可進行組合發(fā)射(圖15)。首先設(shè)計合理的模塊化初始構(gòu)型,然后將多顆衛(wèi)星組合成標準的發(fā)射構(gòu)型,入軌后發(fā)射構(gòu)型并分離解體。衛(wèi)星根據(jù)模塊上傳感器所提供的關(guān)鍵信息進行在軌重構(gòu),變換為目標構(gòu)型以執(zhí)行新任務(wù)[58]。

圖15 標準化模塊衛(wèi)星的組合發(fā)射與在軌自重構(gòu)[58] Fig.15 Combined launch and in-orbit self-reconfiguration of standardized modular satellites[58]

對于標準化模塊航天器設(shè)計,首先需要解決功能模塊間的通信問題。在復(fù)雜的任務(wù)場景中,航天器的傳感器、控制器與執(zhí)行器模塊需要通過無線網(wǎng)絡(luò)進行大量的信息交換。為保證各模塊的協(xié)調(diào)一致和穩(wěn)定運行,模塊間需要靈活、高效的無線網(wǎng)絡(luò)通信以保證信息實時傳輸。模塊化系統(tǒng)還需降低功能模塊間的通訊頻率,無線網(wǎng)絡(luò)受限于通信帶寬,因此要在保證系統(tǒng)性能的同時降低通信負載,以提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率。此外多模塊空間布局設(shè)計、構(gòu)型重構(gòu)分析及工作模式研究也需要進一步探索。

總體而言,無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、信息交互技術(shù)、功能協(xié)同技術(shù)、構(gòu)型保持、重組與功能適變技術(shù)已成為標準化模塊航天器設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù),同時為多模塊系統(tǒng)的可重構(gòu)和即插即用特性提供了頂層技術(shù)支撐,而具有網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)架構(gòu)的即插即用技術(shù)也將推動未來模塊化航天器的高質(zhì)量發(fā)展。

4.2 航天器構(gòu)型重構(gòu)規(guī)劃技術(shù)

重構(gòu)規(guī)劃是航天器構(gòu)型重構(gòu)中的關(guān)鍵技術(shù)。在構(gòu)型重構(gòu)過程中,需多次執(zhí)行航天器重構(gòu)規(guī)劃以得到可行的自重構(gòu)策略,并根據(jù)該策略完成與目標任務(wù)相適應(yīng)的構(gòu)型重構(gòu)。目前,航天器重構(gòu)規(guī)劃研究主要集中在兩個方面:1)以可重構(gòu)航天器的模塊結(jié)構(gòu)為本體,由本體結(jié)構(gòu)決定其運動規(guī)則及重構(gòu)規(guī)劃方法;2)以重構(gòu)規(guī)劃運動算法為主體,借助已研發(fā)的模塊構(gòu)建平臺提出多種規(guī)劃算法。

第一類方法是航天器重構(gòu)規(guī)劃的主流方向,已應(yīng)用于具體的可重構(gòu)航天器中。基于生物免疫網(wǎng)絡(luò)體制,Mitsumoto提出了細胞衛(wèi)星的分布式控制算法,即每個模塊直接根據(jù)自身周圍環(huán)境決定下一步運動[59]。此外還提出了基于能量激勵和能量抑制的規(guī)劃方法用于實現(xiàn)系統(tǒng)的構(gòu)型重構(gòu)。Collins針對SuperBot的協(xié)調(diào)運動和靈活控制,構(gòu)建了總體控制框架以實現(xiàn)空間內(nèi)大面積自重構(gòu)[60]。隨后Moll研究了SuperBot的運動步態(tài),提出一種計算質(zhì)心位置的分布式重構(gòu)規(guī)劃方法,運用自身步態(tài)作為運動指導(dǎo)以協(xié)同其他模塊的關(guān)聯(lián)信息,保持SuperBot在構(gòu)型重構(gòu)過程中的姿態(tài)穩(wěn)定[61]。實現(xiàn)多模塊同時變換到目標構(gòu)型以提高重構(gòu)效率,Fitch利用Markov決策法實現(xiàn)智能模塊的重構(gòu)規(guī)劃,即單個模塊根據(jù)相鄰模塊信息搜索到達目標區(qū)域最近的路徑[62]。這種動態(tài)規(guī)劃方法能夠使多模塊同時移動至目標位置且不發(fā)生碰撞,高效實現(xiàn)了構(gòu)型重構(gòu)。上述研究均基于典型的可重構(gòu)航天器開展重構(gòu)規(guī)劃研究,根據(jù)模塊結(jié)構(gòu)特點給出了有效的運動規(guī)則和重構(gòu)控制。

第二類重構(gòu)規(guī)劃算法包含了圖論法、勢函數(shù)法及遺傳算法等,并運用動力學(xué)仿真平臺對規(guī)劃算法進行三維仿真,以驗證方法的可行性。張鑫針對可重構(gòu)機器人的自修復(fù)過程,利用圖論表示全局的拓撲構(gòu)型,并在模塊中存儲了邏輯簡單、運算量小的運動規(guī)則,為后續(xù)的運動規(guī)劃奠定了理論基礎(chǔ)[63]。費燕瓊利用當前構(gòu)型與目標構(gòu)型的位置差異作為勢函數(shù),在運動范圍內(nèi)對模塊進行逐步填充以實現(xiàn)模塊自重構(gòu)規(guī)劃,并搭建三維平臺對自重構(gòu)過程進行仿真[64]。吳秋軒利用構(gòu)型重心與目標構(gòu)型重心形成的空間矢量進行了智能模塊的重構(gòu)規(guī)劃,并開發(fā)了基于Agent系統(tǒng)的仿真平臺,對模塊規(guī)劃進行了仿真[65]。此類方法能夠解決較少模塊的構(gòu)型重構(gòu)規(guī)劃問題,但用于復(fù)雜構(gòu)型的規(guī)劃算法復(fù)雜度較高。另外當前著重于空間內(nèi)無指向性約束的航天器重構(gòu)規(guī)劃研究,但在實際工程中某些功能模塊會有特定的指向性需求,因此需要深入優(yōu)化重構(gòu)規(guī)劃算法。

4.3 一體化資源整合與分配技術(shù)

在模塊化航天器的重構(gòu)規(guī)劃過程中,還需對多模塊系統(tǒng)進行全局整合與動態(tài)分配,以優(yōu)化其資源配置。相對于傳統(tǒng)航天器固定的信息網(wǎng)絡(luò)連接、熱控流體回路布局和總體電源儲存與供給,可重構(gòu)航天器的熱流、信息流、能量流、工質(zhì)流等都需要全新的一體化設(shè)計,以適應(yīng)不同構(gòu)型下的信息與資源交互。

作為一體化資源整合與分配任務(wù)中的一類典型技術(shù),航天器能源管理技術(shù)能夠在有限的能源供給條件下,優(yōu)化負載管理,高效完成能源調(diào)度[66]。以航天器能源管理與信息傳輸系統(tǒng)為例,整個系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計,圍繞太陽電池陣、電源控制單元、邏輯與控制單元、雙向變流器、一次母線等環(huán)節(jié)展開。特別是,邏輯與控制單元采用集中式控制,同時具備了較強的數(shù)據(jù)采集、運算與管理功能。系統(tǒng)中采用的關(guān)鍵技術(shù)包括:能源存儲技術(shù)、電源控制技術(shù)、信息處理技術(shù)、超導(dǎo)技術(shù)等。

可重構(gòu)航天器的發(fā)展對能源系統(tǒng)的穩(wěn)定性、帶載能力和傳輸效率等性能指標提出了更高要求[67]。為延長可重構(gòu)航天器的在軌壽命,進一步提高運行效率以順利完成在軌任務(wù),一體化資源整合與分配技術(shù)已成為亟待研究的關(guān)鍵技術(shù)。

4.4 變參數(shù)動力學(xué)分析技術(shù)

可重構(gòu)航天器的典型動力學(xué)特征主要表現(xiàn)為構(gòu)型重構(gòu)引起質(zhì)量特性隨時改變,使得系統(tǒng)動力學(xué)參數(shù)具有不確定性。建立變參數(shù)航天器的在軌動力學(xué)模型,分析任意工況下的變參數(shù)系統(tǒng)動力學(xué)特性已成為航天器構(gòu)型重構(gòu)技術(shù)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。

當前許多方法已用于變質(zhì)量剛性系統(tǒng)的動力學(xué)分析。Cayley首次發(fā)現(xiàn)質(zhì)量無窮小的粒子本身不會發(fā)生任何的速度突變[68],然而粒子間若存在一定聯(lián)系,則可能發(fā)生突變。Poisson對變質(zhì)量系統(tǒng)進行動力學(xué)分析,得到了系統(tǒng)的d′Alembert形式[69]。該方法可直接列出不包含約束條件的動力學(xué)方程,簡化了分析過程。隨后,Eke研究了系統(tǒng)質(zhì)量和幾何形狀等參數(shù)對變質(zhì)量系統(tǒng)的動力學(xué)行為的影響,發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)質(zhì)量與運動頻率成負相關(guān),而幾何形狀的影響較小[70]。Meshcherski首次提出了變質(zhì)量系統(tǒng)中反作用力的概念,將Newton運動定律應(yīng)用于系統(tǒng)動力學(xué)分析[71]。在此基礎(chǔ)上,Meirovitch利用Newton-Euler法和Hamilton原理等多種方法推導(dǎo)了變質(zhì)量系統(tǒng)的動力學(xué)方程,并拓展至多自由度系統(tǒng)[72],Eke則采用了Kane法。Cveticanin推導(dǎo)了變質(zhì)量平動系統(tǒng)的Lagrange方程,并求得了系統(tǒng)的整體位移響應(yīng)[73]。但對轉(zhuǎn)動系統(tǒng)的研究還處于起步階段,且平動與轉(zhuǎn)動耦合會使系統(tǒng)的動力學(xué)行為復(fù)雜化。

面向多旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)空間太陽能電站等變質(zhì)量撓性連續(xù)系統(tǒng),有限元法[74]、假設(shè)模態(tài)法[75]和伽遼金離散法[76]均可用于系統(tǒng)動力學(xué)分析,但更簡單有效的方法仍有待開發(fā)。綜上,表1對比了上述方法各自的優(yōu)勢和不足,這為變參數(shù)動力學(xué)分析在構(gòu)型重構(gòu)技術(shù)中的發(fā)展提供了參考。

表1 變參數(shù)動力學(xué)分析方法的優(yōu)勢和不足[69-76]

在構(gòu)型重構(gòu)技術(shù)體系中,標準化模塊航天器設(shè)計和構(gòu)型重構(gòu)規(guī)劃等技術(shù)日益成熟,將成為未來航天工程領(lǐng)域的研究熱點。然而,航天器系統(tǒng)的通訊能力、重構(gòu)規(guī)劃與控制等方面還應(yīng)繼續(xù)改進:

1)對于撓性模塊化航天器的研究較少,當前研究未考慮通信因素和復(fù)雜環(huán)境對構(gòu)型重構(gòu)穩(wěn)定性和動態(tài)性能的影響。撓性振動難以直接測量,信息不全的模塊化航天器振動抑制需深入研究。此外,考慮執(zhí)行器故障和控制性能優(yōu)化的模塊化航天器姿態(tài)控制也將成為未來的研究方向。

2)應(yīng)降低航天器各功能模塊間的通訊頻率。充分利用網(wǎng)絡(luò)資源。事件觸發(fā)機制能有效利用系統(tǒng)采樣信息,判斷測量值是否通過網(wǎng)絡(luò)傳輸。在采用該機制降低通訊頻率的同時,避免無限觸發(fā)(Zeno)現(xiàn)象對于模塊化航天器的發(fā)展具有重要意義。

3)細胞衛(wèi)星的研發(fā)成本較低、體積較小,但由于自身質(zhì)量和體積限制,其通訊能力和計算能力明顯弱于傳統(tǒng)衛(wèi)星,復(fù)雜場景應(yīng)用的可行性不足。在復(fù)雜任務(wù)中增大細胞衛(wèi)星的數(shù)量會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)交互,這將增加未來模塊化航天器的應(yīng)用難度。

5 構(gòu)型重構(gòu)技術(shù)應(yīng)用前景

5.1支持航天器在軌故障排除

航天器在軌故障排除已成為當前的研究熱點之一。由于航天器系統(tǒng)自身的復(fù)雜性和空間環(huán)境的特殊性,各類運行故障問題時有發(fā)生。根據(jù)2021年公開的衛(wèi)星故障典型案例[77],衛(wèi)星剛發(fā)射后就出現(xiàn)了26次故障,與前五年相比次數(shù)明顯增多。這些故障包括能源系統(tǒng)故障(電路短路、太陽帆板無法蓄能);推進系統(tǒng)故障(飛輪故障、管路堵塞)和主載荷故障(通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器能力降低、敏感器污染)等[78]。若不能及時、準確地排除運行故障,航天器系統(tǒng)將遭受嚴重損失。

構(gòu)型重構(gòu)技術(shù)對于未來航天器的在軌故障排除具有重大意義[79],構(gòu)型重構(gòu)技術(shù)能夠克服目前機械臂操作空間有限的問題,快速排除系統(tǒng)表面和內(nèi)部模塊的運行故障。然后對故障設(shè)備進行維修并回收失效設(shè)備,可進一步延長航天器的運行壽命。另一方面,基于模塊化理念對失效設(shè)備的失效機理進行研究,能夠改進制造工藝以提高結(jié)構(gòu)可靠性,同時彌補空間壽命試驗數(shù)據(jù)不足的問題,進而減小故障發(fā)生的概率。

5.2 支持航天器功能更新

對于航天器系統(tǒng)中的高成本設(shè)備,如有效載荷和推進系統(tǒng)等,通過增減某些功能模塊并進行重新組合,以完成模塊化功能部件的更換,進而實現(xiàn)系統(tǒng)的功能更新。采用構(gòu)型重構(gòu)技術(shù)能有效增大航天器平臺的外掛面積,實現(xiàn)多載荷布局,因此理論上通過構(gòu)型重構(gòu)實現(xiàn)航天器的大規(guī)模功能更新是可行的,特別對于某些昂貴的大型航天器平臺,收效將更為顯著。

以上文論述的SuperBot為例,研究者們進一步更新了SuperBot的應(yīng)用功能:1)微型移動檢測系統(tǒng),可作為一種經(jīng)濟有效的方法來檢測水資源或地震特征,也可用于化學(xué)元素勘探和導(dǎo)航信標;2)多用途月球探測器,能夠輔助宇航員的日常工作,在月球探測和開發(fā)中起到重要作用;3)生物環(huán)境維護與操作系統(tǒng),具備了風(fēng)化層的大規(guī)模挖掘能力,可用于處理某些危險任務(wù),還能在短時間內(nèi)為航天器提供大量補給,具備了較強的后勤保障能力。以上功能極大增強了航天器面向多類任務(wù)的靈活性和操作能力,為航天器功能更新提供了新的途徑。

5.3 實現(xiàn)天基平臺功能拓展

可重構(gòu)天基平臺將成為未來重要的空間基礎(chǔ)設(shè)施,具有極高的戰(zhàn)略意義?？芍貥?gòu)天基平臺具備了諸多優(yōu)勢,如航天器模塊可通過在軌組裝拓展航天器空間尺度,解決火箭發(fā)射包絡(luò)限制等,能夠?qū)崿F(xiàn)更豐富、更優(yōu)越的平臺功能。

航天器的功能模塊可通過構(gòu)型重構(gòu)完成在軌服務(wù),實現(xiàn)多模塊的功能復(fù)用和高效利用,充分發(fā)揮經(jīng)濟效益?？芍貥?gòu)天基平臺安裝了通用的結(jié)構(gòu)對接模塊和電/信息管理模塊[80],能為有效載荷提供統(tǒng)一的供電、測控、軌道和姿態(tài)控制等服務(wù),進一步拓展了平臺功能并縮短了模塊的研制周期[81]?；谥鹘Y(jié)構(gòu)變構(gòu)型技術(shù),還可采用搭載發(fā)射和一箭多星的發(fā)射方式,極大降低了航天器的發(fā)射成本。

5.4 促進空間技術(shù)創(chuàng)新

基于可重構(gòu)航天器系統(tǒng)的模塊化、細胞化技術(shù)牽引,實施構(gòu)型重構(gòu)技術(shù)的創(chuàng)新驅(qū)動戰(zhàn)略,可以促進航天工程領(lǐng)域的諸多技術(shù)創(chuàng)新,帶動中國空間技術(shù)的進步和產(chǎn)業(yè)發(fā)展[82-84],主要體現(xiàn)在:

1)航天器標準化模塊設(shè)計和即插即用技術(shù)的創(chuàng)新,以及航天器在軌組裝與維修技術(shù)的進步;

2)超柔性大功率空間可重構(gòu)系統(tǒng)的創(chuàng)新和能源管理技術(shù)的進步;

3)大型分布式航天器的高精度、高穩(wěn)定度姿態(tài)測量和重構(gòu)控制技術(shù)的創(chuàng)新與進步;

4)分布式綜合電子技術(shù)的創(chuàng)新,以及空間光電交換、無線通信和光纖總線技術(shù)的進步;

5)大型多自由度空間機器人技術(shù)的發(fā)展;

6)空間多層次遙感(地月空間)技術(shù)的發(fā)展;

7)超大型可重構(gòu)航天器地面驗證技術(shù)的發(fā)展。

6 結(jié)論

航天器構(gòu)型重構(gòu)技術(shù)的發(fā)展帶來了航天工程領(lǐng)域的技術(shù)革新。作為在軌服務(wù)等重大空間任務(wù)的關(guān)鍵技術(shù),構(gòu)型重構(gòu)技術(shù)從根本上實現(xiàn)了航天器的多功能化。通過快速的在軌模塊組合和構(gòu)型變換,航天器能夠完成變環(huán)境、多工況下的空間任務(wù),兼具較強的魯棒性、自適應(yīng)性和經(jīng)濟性。

構(gòu)型重構(gòu)技術(shù)在航天工程中應(yīng)用廣泛,結(jié)構(gòu)與功能一體化變構(gòu)型和主結(jié)構(gòu)變構(gòu)型技術(shù)又豐富了構(gòu)型重構(gòu)技術(shù)的發(fā)展方向?；诩毎湍K化設(shè)計的新型航天器已成功應(yīng)用于在軌維護和星表探測等大型任務(wù),極大推動了行業(yè)發(fā)展。特別地,主結(jié)構(gòu)變構(gòu)型技術(shù)能夠解決發(fā)射包絡(luò)對航天器平臺構(gòu)型和布局的約束問題,為有效載荷提供最優(yōu)的發(fā)射姿態(tài)和配置空間。隨著標準化模塊和即插即用技術(shù)的興起,主結(jié)構(gòu)變構(gòu)型技術(shù)在未來將實現(xiàn)航天器平臺的跨越式發(fā)展,具有更高的應(yīng)用價值和經(jīng)濟效益。

航天器構(gòu)型重構(gòu)技術(shù)更趨向綜合性和多元化發(fā)展。目前,標準化模塊設(shè)計和構(gòu)型重構(gòu)規(guī)劃等關(guān)鍵技術(shù)形成了構(gòu)型重構(gòu)技術(shù)體系,這同時與無線網(wǎng)絡(luò)通訊、信息交互、動力學(xué)仿真、能源管理等技術(shù)密切相關(guān)。因此,多種關(guān)鍵技術(shù)的協(xié)同進步對于航天器構(gòu)型重構(gòu)技術(shù)的未來發(fā)展至關(guān)重要。