国外在轨装配技术发展简析

（中国航天系统科学与工程研究院）

国外在轨装配技术发展简析

Development Analysis of Foreign On-orbit Assembly Technologies

贾平（中国航天系统科学与工程研究院）

2016年，欧洲航天局（ESA）将资助研究立方星在轨自主交会对接技术，拟在此基础上发展利用多颗立方星在轨自主装配成大型航天器的技术。2015年，美国公布了多个在轨装配技术项目：美国航空航天局（NASA）于7月宣布开展“大型结构系统太空装配”（SALSSA）项目；劳拉空间系统公司（SS/L）在8月被美国国防高级研究计划局（DARPA）授予用于在轨自主装配地球静止轨道通信卫星的“蜻蜓”（Dragonfly）项目合同；11月，NASA在“临界点”（Tipping Point）计划规划的“航天器与空间结构的机器人太空制造与装配”主题下授出了3份合同，其中包括与劳拉空间系统公司合作开展“蜻蜓”项目地面演示和飞行演示验证。在轨装配技术将成为低成本快速部署航天器的途径之一，推动大型高性能航天器（例如大型深空探测补给站和空间望远镜）的发展，是以美国为主的、多个国家大力发展的重要在轨服务技术。

1 在轨装配的层次

在轨装配是指在太空中将不同的部件连接构建成一个结构、子系统、子系统单元体等空间设施，或把一个或多个结构分离后进行重新组合。包括航天器、空间系统和空间结构的在轨构建、替换、连接、组合或重组，小到模块更换、电池阵、天线等的安装与展开，大到大型独立舱段的在轨对接，以及更大规模的大型空间结构的构建。根据在轨装配任务对象的规模，将航天器在轨装配任务从顶层到底层划分为5个层次。

2 发展水平与进展

对于航天器组合层级的在轨装配，“国际空间站”与后勤补给航天器的自动对接应用较为成熟；以可替换模块的自主装配为代表的功能扩展层级在轨装配已完成演示验证；“凤凰”计划是代表整星组装及模块组装层级的较为先进的、进展较大的典型在轨装配计划；大型结构的无人自主装配技术验证亦在本文中被归为模块组装层级，虽然尚在规划发展中，但太空增材制造技术（即适用于太空环境下的3D打印技术）的发展使卫星零部件和大型结构有望在未来几年实现在轨制造。

航天器组合层级的自主装配应用较为成熟

交会对接技术是自主装配尤其是航天器组合层级自主在轨装配必不可少的基础技术。“国际空间站”与补给航天器的自动对接是航天器组合层级的自主装配应用的典型代表。由欧洲航天局研发的“自动转移飞行器”在2008年与“国际空间站”完成完全自动对接与货物补给，成为欧洲首个与“国际空间站”完成自动对接的航天器。自动转移飞行器在紧急情况下能启动避碰预编程序。日本的H-2转移飞行器同样与“国际空间站”进行了多次自动对接，完成补给任务。

部分可替换模块通过机械臂完成自主装配演示验证

日本的工程试验卫星-7是世界首个采用机械臂的在轨服务验证任务，通过一个可替换模块模拟多种可替换模块的更换，验证了利用机械臂进行可替换模块更换技术，以及组装桁架结构、装配试验天线等装配技术；美国国防高级研究计划局资助的“轨道快车”（Orbital Express）完成了包括服务星“自主空间传送机器人轨道器”（ASTRO）与目标星“下一代可接受服务卫星”（NEXTSat）的自主交会对接及更换电源可替换模块和姿态控制计算机可替换模块在内的所有演示任务；“试验卫星系统”（XSS）计划中的试验卫星系统-12（XSS-12）计划将采用1颗小卫星为母星提供非对接绕飞服务，另外1颗小卫星与母星完成对接，实际是母星与可替换模块的对接。

航天器在轨装配层次

整星在轨装配处于研发试验阶段

通过卫星的零部件或模块在轨装配成整星方面，仅有“凤凰”计划即将进行在轨飞行试验。美国国防高级研究计划局“凤凰”计划设想发射具有卫星某一分系统级或部件级的模块化“细胞星”进入地球静止轨道（GEO），利用空间机器人将其安装到废弃卫星的天线上，再将安装有“细胞星”的天线拆卸下来构成新卫星，将其拖至目标轨道释放。2015年12月，“国际空间站”对美国诺瓦沃克斯公司（NovaWurks）为“凤凰”研发的“高度集成的细胞星”（HISat）模块进行了“细胞星初始任务试验”（SIMPL）。2016年1月，诺瓦沃克斯公司宣布拟在2016年将“高度集成的细胞星”发射至近地轨道进行演示验证。

除“凤凰”计划外，美国在2015年新启动了若干以整星在轨装配为远期目标的项目。2015年8月，美国太空制造公司（Made in Space）与纳诺莱克斯公司（NanoRacks）计划合作开展“存储与部署”计划，将利用纳诺莱克斯公司的立方体卫星部署技术和太空制造公司的太空增材制造能力，提供在太空环境下按需制造、组装与部署立方体卫星的服务。此外，“蜻蜓”项目拟在轨自主装配尺寸更大、能力更强的地球静止轨道通信卫星，重点研究在轨装配与重构卫星的大型射频反射器。

大型结构的机器人装配正在规划中

大型结构的自主装配尚未实现成熟应用，但已有多个计划拟提供相关在轨装配服务。2015年7月，NASA启动“大型结构系统太空装配”（SALSSA）项目，旨在实现大型模块化结构系统在太空中的自动装配、服务保障、翻新、重构以及再利用；该项目采用新型装配与再设计模式，面向三类可升级和重构的系统：大型空间天文台、太阳能推进系统的兆瓦级太阳能电池阵以及火星任务组部件；NASA“临界点”计划下的“多功能太空机器人精密制造与装配系统”（俗称“建筑师”）将于2018年演示验证在轨增材制造与装配大型、复杂结构的能力，“蜻蜓”项目同样重点关注大型射频反射器的在轨装配与重构。

“大型结构系统太空装配”项目概念图

大型结构的在轨制造处于地面试验演示阶段

在地面建造并集成所有部件后，将航天器整体发射入轨的航天器制造模式昂贵且耗时，且航天器尺寸受火箭整流罩体积限制。2016年3月，“天鹅座”（Cygnus）飞船将太空制造公司研制的首台商用“增材制造设备”（AMF）送入“国际空间站”。但该设备的尺寸有限，能够制造的零部件尺寸也有限，而且适用于“国际空间站”外的完全真空环境下的增材制造技术尚在地面试验阶段。美国系绳无限公司（TUI）正在研究的在轨制造系统——“蜘蛛制造”，将利用蜘蛛状机器人在轨进行大型空间结构如天线、电池板、桁架和其他多功能结构的制造与组装。只需要将原材料送入轨道，即可由机器人利用增材制造技术在轨制造，并将制造的零部件装配成大型系统。“蜘蛛制造”已完成机器人样机制造，进行了地面演示，验证了“蜘蛛制造”概念关键工艺的基本可行性，正在制造第二代机器人原型。此外，“临界点”计划中的“建筑师”、“存储与部署”立方体卫星项目同样采用了太空增材制造技术。

3 技术途径

航天器组合层级的在轨装配主要利用先进传感导航设备进行交会对接实现；航天器的功能扩展主要通过舱段与航天器交会对接或利用空间机器人对在轨航天器进行模块补加实现；对于整星组装层次，“凤凰”计划通过细胞星模块聚合和构型重组的方式实现；对于模块组装层次，“凤凰”计划的细胞星模块聚合方式同样是典型代表；在轨制造主要通过真空增材制造设备或机器人在国际空间或在轨制造实现。

整星组装与模块组装的技术途径

以“凤凰”计划为代表的模块组装以基于“壁虎爪”粘附原理的技术为基础，以细胞星模块聚合方式组装，将多个具有子系统级功能的单功能细胞星聚合成具有多个子系统功能的系统级细胞星，以及将系统级细胞星聚合成具有更强功能的系统级细胞星聚合体。

“凤凰”计划的整星组装除了模块聚合外，还利用服务航天器的“前端机器人使能近期演示验证”（FREND）机械臂和柔性关节机械臂等多个机械臂协同进行构型重组。机械臂将细胞星装配到废弃卫星天线上，并将由废弃卫星天线和安装在其上的细胞星一同切割下来，重新组成新卫星。

在轨制造的技术途径

目前在轨制造主要通过真空增材制造技术实现。一是通过在“国际空间站”上的增材制造设备制造零部件，在轨真空增材制造区别于地面增材制造技术的核心在于保证真空环境下制造零部件的力学性能；二是通过在轨机器人制造。“蜘蛛制造”计划中采用方案是具有增材制造功能的多臂机器人，该机器人从一个“喷丝器”排出并熔合碳纤维条，像地球上织网的蜘蛛一样沿着桁架网络爬动，能以5cm/min的速度大量生产桁架并集成制造出整个物体。

4 发展趋势

通过模块化结构发展航天器零部件的自主在轨装配

在轨装配标准模块化的航天器结构的技术复杂度更低、周期更短，更易实现航天器的零部件装配应用，多个计划正在研究或验证标准模块化的设计思想。“凤凰”计划中的细胞星采用标准模块化的设计理念，是模块化在轨装配的典型代表；工程试验卫星-7、“试验卫星系统”等多项在轨服务计划演示验证了自主装配可替换模块技术；“存储与部署”计划亦从具有模块化结构的立方体卫星为起点探索在轨装配卫星的可行性。

发展大型空间结构的在轨制造与装配

NASA发布的《在轨卫星服务研究项目报告》表明，在太空中建成大型天文台和深空探测补给站是美国在轨服务的远期目标之一。“大型结构系统太空装配”、“蜘蛛制造”和“建筑师”等项目均在积极发展大型空间结构的在轨建造与装配。在轨装配大型空间结构，将使航天器结构大小不再受限于运载器的整流罩大小，推动大型、高性能航天器的发展。

在轨制造技术将推动在轨制造、组装与部署一体化

传统的在轨装配技术需要将在地面制造好的结构、舱段、航天器通过运载器发射到轨道再进行装配，近年来真空增材制造技术的发展将变革航天器的在轨制造能力，有助于实现在轨制造、组装与部署一体化，大幅降低研制发射成本和周期。NASA“临界点”计划下的3个“航天器与空间结构的机器人太空制造与装配”相关项目，以及“蜘蛛制造”和“存储与部署”立方体卫星项目均反映了在轨制造（尤其是增材制造）、组装与部署一体化的发展趋势。NASA的美国太空制造公司与纳诺莱克斯公司的“存储与部署”计划有望以立方体卫星作开端，为航天器的在轨制造、组装与部署一体化开启新篇章。