空间机构技术发展趋势及展望

从 强，罗 敏，李伟杰(北京空间飞行器总体设计部，北京100094)



空间机构技术发展趋势及展望

从 强，罗 敏，李伟杰
(北京空间飞行器总体设计部，北京100094)

摘要:概述了我国空间机构技术的发展历程，结合当前我国航天技术的发展需求，对后继轻质大型展开机构、高精度指向机构、智能操作机构三个发展方向的研究概况进行了分析。在此基础上，根据空间机构的复杂度和其在航天器系统中的地位变化，总结出我国空间机构单机-分系统-机械系统(平台)的发展趋势，归纳出了目前空间机构发展中“结构-机构一体化分析”、“材料-机构一体化设计”、“控制-机构一体化设计”的技术特点，提出了加强柔性机构动力学技术、大变形材料制备及应用技术、微驱动技术的研究，以配合新型空间机构技术发展的建议。

关键词:空间机构；展开机构；指向机构；智能机构

1　引言

空间机构是现代航天器系统的重要组成部分。空间机构是指航天器及其部件或附件完成规定动作或运动的机械组件[1]。空间机构一般由压紧释放单元、驱动装置、传动组件、控制与反馈组件、连接支撑组件5个部分组成[2]。依据基本功能，目前可以将其划分为四类[3]，即:连接分离机构，如包带、爆炸螺栓、对接机构等；展开锁定机构，如太阳翼铰链、天线展开机构等；驱动伺服机构，如天线展开机构、机械臂关节等；缓冲与减振机构，如着陆缓冲机构、阻尼减振机构等。随着航天技术的不断发展，空间机构的具体功能和种类正在不断地变化与扩大。

与地面使用的一般机构相比，空间机构具有以下特殊性[4]:1)空间特殊环境的适应性:空间环境的高真空、宽幅温度变化、强太阳电磁辐射、高能粒子辐射、等离子体、微流星体、行星大气和磁场等，均会对航天器材料力学性能、表面状态、机构运动副摩擦力、电子元器件寿命等造成影响，进而影响空间机构的可靠性和安全性。因此，相比于一般机构，空间机构需在设计时充分考虑各项空间环境的影响。2)不可维修性:虽然随着空间技术的发展，航天飞机、空间站等飞行任务实现了空间飞行器的在轨维修、更换和维护，但从人类的现有技术水平来看，很长时间内人类发射的大部分航天器都不具有在轨维修和更换的可能性。因此，相比于一般机构，空间机构需要考虑材料疲劳、老化等寿命问题，确保空间机构能在规定的寿命时期内可靠地工作。3)轻质要求:由于极高的发射成本，空间飞行器对部组件重量要求极为严苛，空间机构在设计时必须追求以最小的重量代价满足使用要求。4)功耗限制:空间飞行器能源供给有限，对部件和设备功耗有严格的限制，空间机构工作不宜造成很大的电功率消耗。上述特殊性使得空间机构的设计与地面一般机构有很大的区别，因此有必要对其研制历程和研制特点进行归纳总结。

本文归纳了我国空间机构的发展阶段，历数了我国空间机构发展历程中的重要节点，结合当前我国航天技术的发展需求，概括了后继若干发展方向的研究动态；并由此总结出空间机构单机-分系统-机械系统(平台)的发展趋势和技术特点，旨在为我国空间机构的研究提供借鉴和参考。

2　我国空间机构发展历程

我国空间机构技术的发展，可根据机构系统的复杂性及其在航天器系统中的组成地位，从1970年至今为止大致分为三个阶段:

2. 1 起步阶段

20世纪70至80年代，是我国空间机构的起步阶段，该阶段研制的空间机构产品形式简单、功能单一，在航天器系统中以单机产品的形式存在，这一阶段的主要标志性节点包括:

1970年我国第一颗人造地球卫星东方红一号[5]，应用了我国首个卫星空间机构-杆状天线及观测裙，该机构依靠自旋惯性展开，如图1所示。

1981年，实践二号卫星[6]实现了我国首个可展开太阳帆板在轨展开，如图2所示。

1984年，东方红二号卫星[7]，首次成功使用了包带式星箭连接分离装置和天线消旋机构，实现星箭分离和自旋稳定卫星的天线对地定向功能，如图3所示。

图1　“东方红一号”卫星[5]Fig. 1 DFH-1 satellite[5]

图2　实践二号卫星[6]Fig. 2 SJ-2 satellite[6]

图3　东方红二号卫星[7]Fig. 3 DFH-2 satellite[7]

2. 2 快速发展阶段

20世纪90年代到21世纪初，是我国空间机构的快速发展阶段。该阶段空间机构产品在我国航天器上得以大量运用，形成了连接分离机构、展开锁定机构、驱动指向机构、缓冲减振机构等功能类别和产品系列。机构产品在部分航天器上，以独立分系统出现，如神舟八号对接机构分系统和嫦娥三号着陆缓冲分系统等。这一阶段的主要标志性节点包括:

1999年发射的神舟号载人飞船系列，在结构与机构分系统中包含了24种74台(套)机构产品。其中，火工锁[8]、座椅缓冲器[9]等多种机构均为首次应用，如图4所示，这些机构的研制极大地促进了我国空间机构设计水平的提升。

图4　神舟号飞船舱段连接分离用火工锁[8]Fig.4 Pyrotechnic separator for China SHENZHOU spaceship modules connection and separation[8]

2000年，在中星22号01星上，我国首个自主研制的大型套筒式天线展开机构在轨成功展开[10]。2006年，中星22号02星应用了双轴天线指向机构，是我国首个在轨应用的双轴指向机构[11]。2006年，遥感卫星一号首个星载大型可展桁架天线机构在轨展开，突破了大型桁架展开机构技术[12]。2007年，“尼日利亚通信卫星1号”应用的东方红四号卫星平台大型太阳翼和大型抛物面天线[13]，是我国大型空间伸展机构的标志性成果之一，如图5所示。

图5　尼日利亚通信卫星1号[13]Fig. 5 Nigcomsat-1[13]

2011年，天宫一号/神舟八号任务首次成功实现在轨对接[14]，使我国突破了空间交会对接技术，如图6所示。

图6　神舟八号飞船与天官一号目标飞行器对接模拟图[14]Fig. 6 Rendezvous process simulation of SZ-8 spaceship and TG-1 target spacecraft[14]

2. 3 深入发展阶段

21世纪初至今，是我国空间机构深入发展阶段，该阶段空间机构的发展特点是逐步与材料、控制、信息等技术融合，形成了诸如智能操作机器人、地外行走巡视器的复杂航天器机械系统(平台)。同时，空间机构开始以航天器主载荷或平台的角色出现，在航天器系统中地位进一步提升。这一阶段的主要标志性节点是:2013年，嫦娥三号采用着陆缓冲机构和主结构构成着陆器平台，实现了我国首次地外星体着陆[15]，如图7。其月面巡视器作为移动平台，实现了我国首次地外巡视探测[16]，如图8。

图7　嫦娥三号着陆缓冲机构[15]Fig. 7 Landing gear for Chang’E-3[15]

除了上述已经在轨获得应用的空间机构外，目前我国在研的部分空间机构，如空间站大型机械臂系统、嫦娥五号月球表面采样钻取机构、空间站超大功率柔性太阳翼等，作为航天器的主载荷或者重要分系统，均体现出复杂空间机械系统(平台)的特点。

图8　嫦娥三号月面巡视器[16]Fig. 8 Chang'E-3 lunar rover[16]

3　空间机构后继发展方向及国外研究进展

随着我国航天技术的快速发展，后继以空间站、深空探测等为代表的空间任务，其任务和系统高度复杂，对空间机构的功能、性能、寿命等要求越来越高，对重量、体积、功耗等限制越来越严格。为了实现多功能、高精度、轻质化，空间机构引入越来越多的控制、测量、信息、材料等领域的新技术和新方法，空间机构技术从传统的机构与力学学科领域，向多学科交叉融合的方向发展，扩展成为高度复杂的空间机械系统。这一发展趋势，在大型轻质展开机构、高精度指向机构、智能操作机构三类复杂的空间机械系统的发展中体现的十分明显。

3. 1 轻质大型展开机构研究进展

空间展开机构是空间机构中广泛应用的一个分支，这种机构在航天器发射及动力飞行阶段能可靠收拢于有限的包容空间内，而在动力飞行结束后的某一指定轨道上可伸展为预定的空间构型承受载荷。大型航天器对空间展开机构的需求旺盛，传统的展开机构一般依靠铰链、电机等驱动机构，将被展开部件连接起来并实现展开与锁定的功能，这种机械展开的方式难以适应几十米甚至数百米尺度的高收纳比、轻质大型展开机构的要求。目前，大口径、高精度、轻质量的可展开天线正成为可展开天线的发展趋势，主要技术发展方向包括:

3. 1. 1 材料自展开技术

利用特殊金属、复合材料的弹性大变形能力，可以驱动结构变形和展开。同时展开后材料本身作为结构一部分具有承载功能。这种方式集收拢、驱动、承载等多功能于一体，去除了机械铰链等环节，从而极大地简化机构组成、降低展开系统重量，提升可靠性。图9为德国宇航局(DRL)研制的由大变形复合材料驱动的薄膜展开机构[17]。[17]

图9　DRL薄膜展开天线样机Fig. 9 DRL’s membrane deployable antenna implementation[17]

形状记忆复合材料在加热材料后对材料施加外力使材料形状改变，材料冷却后撤去外力，则改变后的形状得以保持；在轨时再次将材料加热，材料自行恢复最初形状实现展开。利用这种原理实现的展开机构，具有重量轻、精度高、活动部件少的优点[18]。图10为美国CTD公司研发的整体旋转抛物面形可展开天线[19]，整个展开机构都是由形状记忆复合材料设计而成。

图10　CTD公司基于形状记忆复合材料的展开天线[19]Fig. 10 CTD’s deployable antenna based on shape memory polymer composites[19]

3. 1. 2 充气展开技术

发射前将柔性材料收纳成很小的体积，进入轨道后，通过气体使结构膨胀至展开状态。这种方式突出的特点是收纳率大，质量小，展开可靠性高，口径适应范围广。这种技术的突出代表是L’Garde公司直径14 m的充气展开天线[20]，1996年在轨展开获得了圆满成功，如图11示。

3. 1. 3 空间在轨制造技术

图11　L’Garde公司充气展开天线[20]Fig. 11 L‘Garde’s inflatable-deployable antenna[20]

3D打印技术的出现，为空间大型展开结构提供了一种全新的设计思路。设计师不再需要考虑复杂的折叠与收纳过程，只需将原材料携带至空间，在轨打印出所需的构型。这种技术目前尚处于概念研究阶段，2013年，美国NASA风投了SpiderFab项目，目标是设计空间多足装配机器人，可以在空间3D打印一维长杆，再通过机器手进行组装形成桁架结构[21]，如图12所示。可以预见，这一技术一旦实用化，将彻底颠覆现有展开机构的设计方法和设计思路。

图12　“SpiderFab Bot”在卫星上建造支撑结构示意图[21]Fig. 12 Concept for a“SpiderFab Bot”constructing a support structure onto a satellite[21]

3. 2 高精度指向机构研究进展

指向机构是空间机构的重要一种，可以实现天线对目标的实时跟踪、定位等功能，从而满足星地与星间的通信与数据传输、各类雷达与观测器等对指向和定位的需求[1]。传统的指向驱动机构，主要采用步进电机与谐波齿轮传动组合的驱动机构实现指向定位功能。这种方式受电机控制精度、机构装配精度的限制，已经不能适应后继高精度遥感、远距离激光通信等角秒级的指向精度要求。新型高精度指向机构正成为指向机构的发展方向，主要技术发展方向包括:

3. 2. 1 并联机构技术

与串联机构相比，并联机构属于并联冗余运动机构，具有更高的刚度和运动精度，能够有效地降低系统运动误差，但其机构设计和运动控制方法也更为复杂[22]。图13是PI公司研制的六支链小型并联指向机构[23]，工作空间为40 mm×40 mm× 13 mm，重复定位精度可达到0. 5 μm。

图13　PI公司六自由度并联指向机构[23]Fig. 13 PI’s six strut positioner[23]

3. 2. 2 微驱动技术

采用新型的驱动元件代替步进电机，提高驱动精度也是提升指向机构精度的重要途径之一。以压电驱动器和音圈电机等作为动力源，具有驱动范围小、位移精度高(亚微米甚至纳米级)、动态范围宽等特点，适合于空间小但精度要求高的场合，正成为指向机构的新的驱动元件。M5场稳定装置(M5FU)[24]是为欧洲超大型望远镜(EELT)设计的一种快速修正光学系统，为由望远镜动态指向误差和大气风扰引起的光学偏差提供自适应修正。其利用压电驱动器驱动，动作半径为830 mm，分辨率达到20 nm，如图14所示。

图14　M5FU设计和实物[24]Fig. 14 M5FU design and implementation[24]

3. 2. 3 柔性铰链技术

与常规的球铰、万向节等机械活动关节相比，柔性机构可整体化设计和加工，不需要轴承，因此可以减小机构体积，实现无间隙、无摩擦、高精度的运动[25]。柔性铰链已经发展出多种形式，可模拟球铰、万向节等多种形式的运动副，近年来逐步走向航天应用。图15为RUAG公司用于并联指向机构的柔性铰链[26]。

图15　RUAG公司在柔性指向机构上使用的柔性铰链[26]Fig. 15 RUAG’s flexure hinges on reflector trimming mechanism[26]

3. 3 智能操作机构研究进展

智能操作机构用于辅助或代替航天员执行空间任务，主要包括空间机械臂、空间机器人和巡视探测器等。与有人值守航天器相比，采用智能操作机构在成本、效率等方面均有巨大的优势，因此在国际空间站、火星探测等任务中得到广泛而成功的应用[27]。该方向研究进展包括:

3. 3. 1 智能机械臂系统

机械臂是应用最为广泛的空间机器人系统，目前已应用于空间站大型舱段在轨组装、来访飞行器捕获与对接、货物搬运、辅助航天员舱外活动等任务[28]。在空间合作目标在轨抓捕、模块更换、在轨加注、接管控制以及非合作翻滚目标的抓捕和转移等任务也有明确需求[29]。此外行星及小行星地外天体采样、取样及放样等任务需求。目前广为人知的是国际空间站使用的加拿大SRMS(Shuttle Remote Manipulator System)[30]。除此以外，国际空间站还将配备欧洲航天局和俄罗斯航天局联合开发的机械臂ERA[31]，如图16所示。以及日本研制的实验舱机械臂系统JEMRMS[32]。

图16　ERA机械臂组成[31]Fig. 16 Overall ERA arm architecture[31]

图17　ROBONAUT2[33]Fig. 17 ROBONAUT2[33]

3. 3. 2 智能机器人

智能双臂或多臂空间机器人系统，可以应用于空间站舱内外精细操作、设备更换、在轨加注、空间大型载荷搬运及组装操作、空间载荷试验等复杂人机交互操作需要。NASA和GM研制机器人航天员ROBONAUT2[33]，如图17所示，是2011年进入国际空间站的第一个面向在轨服务的仿人空间机器人系统。上半身共42自由度，双目视觉，多指灵巧手；下半身双腿14个自由度。

3. 3. 3 巡视探测器

巡视探测器在地外天体巡视探测中得到了广泛的应用。传统的巡视探测器以轮式探测器为主，经过多年的发展，在月球和火星探测中取得了大量的应用。与轮式探测器相比，腿式机构具有很强的地形适应能力，在复杂的岩石地貌和松软的土质表面不易卡陷。例如卡内基一梅隆大学(CMU)研制的Ambler火星漫游车可使机器人始终保持水平的状态[34]。轮腿式混合结构探测器结合了轮式机构运动速度快、作业范围大和腿式机构地形适应性强的优点，是后继巡视探测器发展的方向[35]。德国研究的ALDURO轮腿式机器人，具有两个足和两个轮子。并且两个轮子在必要的时候可以成为足，变换为四足步行机器人[36]，如图18所示。

4　空间机构发展趋势、技术特点和研究建议

4. 1 发展趋势

回顾我国空间机构发展历程和后继发展方向，从航天器系统组成来看，空间机构呈现单机产品-机构分系统-机械系统(平台)的发展趋势。

图18　ALDURO轮腿式机器人两种状态[36]Fig. 18 Two possible configurations of the Walking Machine ALDURO[36]

1)单机产品阶段，机构功能局限于单一功能的实现，例如，东方红二号卫星包带式星箭连接分离装置的功能为星箭分离[1]，机构设计以运动学设计、机械设计和力学设计为主。

2)机构分系统阶段，机构功能以某一类别(连接分离、缓冲减振等)为主体，比如嫦娥三号着陆缓冲分系统以实现着陆器月面软着陆为主要功能[15]，机构设计不仅要考虑机构运动功能，还需要作为分系统参与总体布局设计等，直接影响整个航天器系统设计和任务规划。

3)机械系统(平台)阶段，机构功能综合化、复杂化，已不再局限于运动和力学功能，扩展至行走、探测、操作等多种功能，例如空间站机械臂系统，需实现空间展开、操作、组装、捕获等多种功能[28]，机构设计以多功能系统集成设计、机电热控制等多学科综合设计为主。

4. 2 技术特点

从空间机构发展趋势来看，随着空间机构发展至机械系统(平台)，新型空间机构与传统空间机构相比，在设计技术上具有“三个一体化”特点:

1)大量柔性附件、充气结构、柔性铰链等构件的引入，使得空间机构的运动过程无法采用刚体机械运动表述，因此在机构分析建模必须充分考虑结构刚度和变形的影响，使空间机构设计呈现结构-机构一体化设计分析的特点；

2)大变形材料等材料的引入，使得在机构设计中必须考虑材料力学特性等因素，将材料变形与机构运动统筹考虑，使空间机构设计呈现材料-机构一体化设计分析的特点；

3)新一代高精度并联指向机构、智能机构等，机构运动不再沿事先设计的路径进行，而是实时感知外界参数，由控制系统根据反馈参数实时控制机构运动，使空间机构设计呈现控制-机构一体化设计与分析的特点。

4. 3 发展建议

上述三个特点，使得传统的由构件和运动副组成的空间机构正在向着与材料、信息、控制等多学科高度融合的复杂机械系统转变，这种转变将带动一批新的研究热点，建议应增强以下方面的研究工作，以配合新型空间机构技术的发展:

1)柔性机构动力学技术。传统刚体动力学分析和设计方法将不再满足具有高度柔性化特征的新型大型展开机构等的设计与分析，刚柔耦合分析、全柔性分析将成为动力学领域服务于空间机构的重要发展方向。

2)大变形材料制备、成形及应用技术。大变形复合材料、形状记忆复合材料等新材料的空间应用，将推动相关材料的设计、测试、分析一系列技术的研究与发展。

3)微驱动技术。高精度指向机构将对长寿命、耐空间环境的压电、音圈电机等微驱动技术提出强烈的需求，从而推动材料、控制、测试等一系列相关产业和技术的进步。

4)智能控制和模糊控制技术。复杂空间智能操作机构的发展，将推动自主控制、智能算法、空间感知等领域的发展，进而促进新型传感器、控制算法、软件技术的发展与进步。

5　结束语

空间机构技术在我国经过四十余年的发展，呈现了单机产品-分系统-机械系统(平台)的发展趋势，在航天器系统中的重要性不断提升。当前，空间机构技术呈现结构-机构、材料-机构、控制-机构一体化设计的新特点，使得空间机构的功能远远超出了传统机构。材料、控制、信息、制造等相关学科和技术的不断进步与融合，为空间机构技术的发展提供了新的方向。与此同时，未来各种大型空间复杂机械系统也将带动多个学科的研究与发展。

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·空间智能机构技术·

Development trends and prospects of space mechanism

CONG Qiang，LUO Min，LI Weijie
(Beijing Institute of Spacecraft Systems Engineering，Beijing 100094，China)

Abstract:The development history of Chinese space mechanism technology was summarized in this paper. Three research hotspots such as lightweight-large deployment mechanism，high pointing accuracy position mechanism and smart operating mechanism were introduced，considering the application requirements of China space technology. According to the complexity of space mechanism and its role in spacecraft systems，the development trends of space mechanism from single devices to subsystems to mechanical systems(platform) were summarized. In the end，the technical characteristics of space mechanism development: structure-mechanism integrated simulation，material-mechanism integrated design，control-mechanism integrated design were suggested. The necessity and importance in strengthen the research on flexible structure dynamics analysis，large deformation material manufacture and forming，microdriving technique were put forward.

Key words:space mechanism；deployment mechanism；pointing mechanism；smart mechanism

作者简介:从强(1973 - )，男，硕士，研究员，研究方向为空间机构技术。E-mail:qiangcong@ sohu. com

基金项目:民用航天技术预先研究项目(D020105)

收稿日期:2015-11-09；修回日期:2016-01-02

中图分类号:V423

文献标识码:A

文章编号:1674-5825(2016)01-0001-08