在轨组装技术研究现状与发展趋势

沈晓凤，曾令斌，靳永强，张庆展

（1.上海宇航系统工程研究所，上海201109；2.中国航天科技集团公司八院空间安全与维护总体技术研究中心，上海201109）

在轨组装技术研究现状与发展趋势

沈晓凤1，2，曾令斌1，靳永强1，2，张庆展1，2

（1.上海宇航系统工程研究所，上海201109；2.中国航天科技集团公司八院空间安全与维护总体技术研究中心，上海201109）

介绍了国内外在轨组装技术的研究现状，指出以模块化可重构航天器、大尺寸天线和光学载荷为典型目标的在轨组装技术已得到了广泛研究，提出模块及接口的通用化、提高组装效率和降低组装成本是在轨组装技术工程化应用的重点。归纳了在轨组装的关键技术，包括结构模块化及单元设计、在轨组装平台设计、在轨组装机器人以及在轨组装综合管理等。针对我国的技术现状，提出了我国开展在轨组装技术研究所需解决的问题和未来发展建议：应重点突破模块单元及连接组件的通用化、组装操作的高精度与高效率等瓶颈问题。

在轨组装；研究现状；发展趋势；模块化

1 引言

受火箭推力、整流罩包络及机构复杂度的影响，当前的可展式结构难以满足未来深空探测、天文观测、战略侦察等工程所需的大面积、大跨度空间结构的构建要求［1⁃3］。在轨组装是将单次／多次入轨的结构模块、功能模块等基本单元依序组装成期望的大型空间系统，包括航天器、空间系统或空间结构的在轨连接、替换、构建、组合或重组，从模块更换、电池阵、天线等的安装与展开到功能模块航天器的在轨组装与重构，再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［4⁃6］，具有结构效率高、扩展性强、可逐步升级等特性。

20世纪70年代末，随着美国“天空实验室”项目的提出［6］，国际上开始了对在轨组装相关领域的研究，直到90年代，在轨组装应用被限制在航天员舱外活动和空间机械臂组装上，难以适用于大范围、高精度、高危险性的在轨组装任务［5］。遥控或自主模式的自由飞行空间机器人的出现，使在轨组装可应用于更复杂、大型的空间结构［7⁃9］。通过多自主空间机器人执行空间在轨组装任务将是未来构建大型空间结构的主要方法［6］，随着空间机器人技术的不断发展，在轨组装技术将发挥出更大的潜力。

2 国外在轨组装技术研究现状与趋势

在轨组装系统由组装对象、组装工具组成，必要时还需组装平台参与完成任务。除在轨制造任务外，在轨组装服务对象规模可划分为三个层次［5］：1）两个或多个独立的航天器组装成规模更大的空间结构；2）舱段或模块间的对接组装，使之成为一个独立的航天器或对其进行功能扩展与重构；3）模块、零部件组装成新的模块载荷。结合在轨组装技术的典型应用，本文将在轨组装对象定位为空间基础设施平台、功能模块化可重构航天器和空间大型载荷三方面。

2.1大型空间基础设施平台

国际空间站是当前阶段在轨组装空间基础设施平台的典型应用。至2012年底，历经40多次飞行，国际空间站的建造已基本完成，自主交会对接技术、载荷更换技术得到了充分验证［1］。

空间太阳能电站作为未来大型空间基础设施平台的典型应用，主要由太阳能发电装置、能量转换和发射装置、地面接收和转换装置三大部分组成，概念已提出超过40年，据美日多轮研究结论，在同步轨道布置空间电站发电量需达到GW级才能满足商业运营需要［10⁃11］，整个空间电站质量将达万吨，太阳电阵面积上千平方米，由于关键技术还未充分解决，目前该系统仍属于概念方案设计阶段［10］，但大尺寸太阳翼和天线在轨组装技术已基于空间电站项目得到了广泛研究［12］。

2.2模块化可重构航天器

2007年轨道快车上电源模块和计算机模块的成功在轨更换［13］，预示着功能模块设计的在轨成功应用，航天器上逐步开始引入可接受服务设计。2010年德宇航中心（DLR）提出面向卫星在轨服务的智能积木iBOSS项目，对航天器的结构模块化设计展开研究，在构型上提出了适用于以电子载荷为主的小型卫星的“搭积木”模式和适用于多载荷、高精度的大卫星的“蜂巢”模式［14］，如图1所示。

2011年美国凤凰计划首次提出细胞化卫星技术，细胞卫星利用细胞形态学理论进行模块卫星的设计，每一个“细胞”为缩小的传统卫星的子系统或组件，如电源、姿态控制、热控、推进等。多个“细胞”卫星组合装配一起构成一颗新的模块卫星，利用这种可替换的星体系架构，可实现模块化卫星的大批量生产、低成本和标准化［15］，如图2所示。

2015年12月9日，美国NovaWurks公司研发的“细胞星初始任务验证及经验”（SIMPL）试验组件已到达国际空间站，包括6个HISat和两个太阳能电池阵列，拟在国际空间站上进行整星装配后独立在轨部署，将在2017年中进行在轨技术验证［16］。

2.3空间大型载荷

1）大尺寸天线

1997年ETS⁃Ⅶ在轨成功利用机械臂完成直径2 m天线的组装，天线形面精度达到0.1 mm，这也是国际上第一次在轨组装天线［17］。2006年ETS⁃Ⅷ天线在轨成功展开，该天线是国际上第一个模块化设计的可展开天线，由14个六边形模块（板壳＋桁架结构）组成，有效直径13 m，形面精度2.4 mm，验证了天线模块化设计的可行性［18⁃19］。上世纪70年代，美国提出多种航天飞机辅助参与的30～100 m量级天线的在轨组装方案［20］，随着大型天线的需求日益明显，NASA提出采用将天线反射器表面分成标准面板分批发射，在星上用空间机器人进行装配的组装型天线技术，针对不同的天线结构，提出多种模块化设计方案［21⁃24］，如图3所示。2015年8月，美国劳拉公司从DAPRA获得一份“蜻蜓”合同，在GEO轨道利用自身携带机器人实现卫星大型射频天线反射器的安装与重构，该项目列入NASA与工业界合作的临界点计划，以DARPA资助的“蜻蜓”项目为基础，将开发地面演示验证的方案［25］。

2）大尺寸光学载荷

哈勃望远镜自1990年上天后，美国先后提出了多种新型太空望远镜来替代哈勃退役后的角色，James Webb望远镜作为新一代的太空望远镜，采用在轨展开的方式，主镜孔径可达6.5 m，预计2018年应用［26］。此外，美国还提出多种在轨组装式的太空望远镜的概念方案，主镜直径最大可达30 m，组装地点涵盖空间站平台、地月L2点以及日地 L2点，详见图 4［3，27⁃31］。DARPA在 2015⁃2016年财务预算中持续支持光学孔径空间自组装项目（OASIS），该项目旨在验证利用较小的模块化组件在轨组装成大孔径光学设备的可行性［32⁃33］。该项目将模块化部件作为单独载荷发射后，在轨组装成合成孔径大于5米的光学设备，要求模块化部件和系统设计必须具备自我测量和调整能力。

3）大尺寸桁架

20世纪70年代，美国兰利中心开始研究宇航员对桁架的在轨组装，并进行了大量的地面微重力试验［4，34⁃35］。1985年 EASE （Experimental Assembly of Structures in EVA）任务中美国航天飞机成功完成对空间桁架EASE／ACCESS的组装操作［3］。在任务顺利结束之后，NASA提出了BAT（The Beam Assembly Tele⁃operator）项目，其核心是开发遥操作自由飞行机器人Ranger来替代航天员进行组装，但因为种种原因，机器人Ranger未上天进行验证［35］。

2.4组装机器人技术

随着对组装对象研究地深入，美国等航天大国提出了多种组装机器人。满足在轨组装需求的机器人有三种类型，一是固支在舱内进行舱内设备的组装；二是附着在机动平台上的机器人；三是空间自主漂浮机器人。根据在轨组装任务的多样性和复杂性，大多工况需要多个机械臂进行协同操作，多机械臂协同操作方式也有两种，一是通过机器人上配置多个机械手和视觉系统方案；二是多个独立的机械臂形成组装机器人系统，一般可由组装机器人、运输机器人以及传送系统组成。比较典型的在轨组装机器人有空间结构附属移动机械臂Skyworker，仿人机器人Robonaut2，可重构机器人以及以 SpiderFab为代表的仿生机器人［35⁃40］，如图5所示。

“建筑师”项目作为NASA在2015年11月为“临界点”选取的3个在轨机器人制造与组装航天器和结构相关项目之一，官方名称为“多功能太空机器人精密制造与装配系统”，由太空制造公司负责［25］。该项目拟研发具有3D打印功能的机械臂，并将其安装在国际空间站外，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，如图6所示［41］。

2.5技术研究趋势与小结

经过多年的概念论证和技术评估，各航天大国逐渐意识到发展在轨组装技术的必要性，在轨组装已逐步成为新一代航天器建造的使能技术。组装对象也由部件级逐步转向跨尺度、高精度、结构功能一体化的空间设施，模块及接口从传统的“定制型”、“适用型”向通用化、系列化转变，无人／自主的多臂协同操作将逐步取代人机协同操作，遥操作型组装机器人已不再能满足任务场景的需求，对其提出自认知、自学习、精细操作及大范围移动能力的要求。

1）航天员直接参与的大型结构在轨组装路径不可行

美国在上世纪八十年代利用航天飞机开展了多次航天员组装桁架的飞行验证，结果表明：受航天员生理、心理因素制约而难以进行由成百上千个模块拼接而成的大型结构的组装［6］。之后NASA持续资助机器人在轨组装技术的研究与试验。

2）在轨组装领域具有巨大的商业航天应用潜力

2015年11月，NASA基于临界点计划选择3家企业开展航天器与空间设施的机器人太空制造与组装研发方向技术合同合作［25］，预计将相关成熟度提升至临界点以上，在利于实现NASA战略目标的同时，刺激在轨组装商业航天市场需求。

3）大尺寸天线、光学载荷和可组装航天器是近年在轨组装领域研究的热点

美国的细胞化卫星技术与德国的面向卫星在轨服务的智能积木项目带动了可组装可重构航天器技术的发展，并于2017年将进行相关关键技术的在轨验证［14⁃16］；2015年起，美国 DARPA 和NASA同步将目光投向天线和光学载荷这类空间大型载荷在轨组装技术研究，并签订了多份研制合同［25，32⁃33］。

4）大型结构在轨组装尚未实现工程化

一方面由于不同尺寸模块单元及连接组件难以通用化和轻量化，要地面加工、制作成百上千形状相似但尺寸不同的非标零部件；另一方面在轨组装需要集移动⁃定位功能于一体的高精度、高刚度精细操作机器人，当前在轨及地面的各种机器人难以满足需求，导致当前在轨组装的效率低、可靠性差、成本高，尚未具备工程化条件［26］。

5）在轨组装技术实用化的技术途径不明朗

美国在太空望远镜（NNGST）、三十米太空望远镜（TMST）等在轨组装研究中没有披露的可行性研究方案及路径［3，27⁃30］；“临界点”计划中的相关方案和技术途径无法知悉，如“蜻蜓”合同中被组装天线的口径、模块数量及具体组装方式等信息外界难以获悉。

3 国内在轨组装技术研究现状与趋势

3.1国内在轨组装技术研究现状

国内在轨组装技术研究起步较晚，随着“十二五”期间在轨服务理念的推广，在轨组装技术也日益受到重视，基于模块更换的空间机械臂技术得到发展。哈尔滨工业大学刘宏团队开展了多臂协同抓捕、空间遥操作、末端效应器以及灵巧手等研究［42⁃44］，崔乃刚、郭继峰团队利用连接矩阵与分层规划的思想，实现了空间桁架结构的组装序列［45⁃46］，相关研究成果可直接支撑在轨组装技术。在空间大型载荷研究方面，哈尔滨工业大学刘兆晶、田大可、刘荣强等开展模块化可展开抛物面天线支撑机构设计，提出等肋长法和空间圆包络法［47⁃48］，浙江大学的关富玲对空间模块化的可伸展结构开展设计研究［49］，西安电子科技大学、中国空间技术研究院西安分院的李团结、马小飞等提出基于空间站的拼接式天线的空间装配方案［50］；在航天器模块化设计研究方面，西北工业大学黄攀峰等对凤凰计划和iBOSS项目进行深入剖析，提出面向在轨服务的可重构细胞卫星关键技术［51］，刘更团队等对各阶段航天器结构模块化设计方法进行研究［52⁃53］，国防科技大学提出模块化小卫星自动测控系统构建方案［54］；在大型空间基础设施方面，北京航空航天大学与中国运载火箭技术研究院利用重型运载火箭对LEO和GEO空间太阳能电站的在轨组装发射模式进行论证［55］。另外，北京卫星环境工程研究所的王奇、陈金明对大型空间结构的设计及在轨组装的地面模拟实验进行了相关研究，为我国即将展开的空间在轨组装技术提供了一定的理论基础。综上，我国在轨组装技术研究现状主要如下：

1）以空间站为主体的舱段对接和模块更换技术得到深入研究

依托我国空间站建设，国内多家单位对空间在轨组装与维护技术开展了相关研究，主要集中于空间交会对接试验、在轨模块组件更换、在轨释放与发射、可重构空间服务平台等技术，取得了一定的成果，并在工程实践中有所突破，为我国即将组建的空间站天空一号打下坚实的技术基础。

2）关键技术跟踪性研究居多，系统性研究较少

哈尔滨工业大学在在轨装配任务规划方面作了深入研究［4，45⁃46］；浙江大学［49］、西安电子科技大学［50］、西北工业大学［51⁃53］、国防科技大学［54］等在模块单元划分及设计实现方面工作较多；随着空间电站论证的逐步深入，科研院所正逐步开展超大型结构在轨组装系统性研究［55］。当前国内在轨组装技术领域现有研究成果成熟度较低，离工程化实施距离大。

3）在轨组装相关的原创性方法及思路少见

文献可查的国内在轨组装技术研究大都是在国外研究的基础上进行跟踪与深化，暂未提出解决当前在轨组装工程化面临瓶颈问题的方法及思路。

3.2国内在轨组装系统发展趋势与启示

在轨组装将成为构建新一代更高尺寸及精度空间结构的使能技术。在轨组装技术的成熟直接影响对地成像、侦查预警及天文观测等领域的进一步发展，大力发展在轨组装技术是未来航天领域发展的潜在共识。

从上世纪70年代开始，在轨组装技术历经40多年的发展，因模块及接口难以通用化、组装效率低、成本高等问题仍未实现工程化［26］。当前大型结构在轨组装的需求日益迫切，国内工程总体单位正牵引高校及专业研究所开展系统性、集群式在轨组装技术研究，国内在轨组装技术想要实现“弯道超车”，需重点突破模块单元及连接组件的通用化、组装操作的高精度⁃高效率、高精度测量以及组装动力学与控制等在轨组装技术工程实用化的瓶颈问题。

4 在轨组装关键技术及发展趋势

在轨组装技术作为未来航天器构建的基础共性技术，应提前进行技术储备和攻关。不论从国内还是国外来看，在轨组装技术要走向实用还有很长的路。在轨组装急需解决的技术主要有以下四个方面：结构模块化及单元设计技术、在轨组装平台设计技术、在轨组装机器人技术以及在轨组装综合管理技术，如图7所示。

4.1结构模块化及单元设计技术

在轨组装的前提是将结构整体“化整为零”为优化的、通用的单元。模块及接口的通用化、组装效率、成本效益等问题是实现在轨组装技术工程化应用转化的关键，针对上述对象开展结构模块化及单元设计可分解为四项研究内容：

1）模块化空间设施系统设计技术。将航天器整体分解、优化为若干相对独立的功能单元，解决功能单元之间的耦合、简化问题。

2）空间结构网格划分与优化技术。将以抛物面等为典型代表的大型空间结构划分并优化为尽可能通用的若干网格单元，从网格的形状、尺寸以及分布入手，解决模块单元的通用化问题。虽然目前已提出一些模块划分方法，但对于不同尺寸结构模块不具有通用性［56］。

3）模块单元构型设计与优化技术。将通用化的网格单元具体设计为系列化、标准化的模块单元，解决模块单元的构型优化与标准化问题。

4）具备快速导通能力的接口技术。将功能模块、结构模块之间的连接接口设计为通用、即插即用形式，解决模块单元之间可靠连接和快速导通问题，大容差与易操作是接口设计的难点，除传统的机械连接接口外，电子束焊和复合材料的连接方式是现在研究的热点［26，39，57］。

4.2在轨组装平台设计技术

组装平台的构型布局将影响其任务能力，大型设施在组装过程中存在精度校核、耦合振动等问题，传统的平台设计理论已不再适用，上述问题对未来在轨组装平台提出了实时测量和控制等要求。

1）在轨组装平台总体布局与设计技术。在轨组装平台功能配置、总体布局与优化，解决复杂约束条件下在轨组装平台功能、性能全局优化问题。

2）在轨组装全局／局部测量技术。复杂空间环境中在轨组装、运行过程系统全局和局域的高精度、高频率测量，解决测量的高精度和实时性问题。

3）在轨组装过程动力学与控制技术。组装过程模块传递、连接、整器姿态转换等引起的动力学问题的识别与控制，解决组装平台动力学稳定问题。

4）空间环境影响机制及控制研究。在轨组装材料、运动副等在微重力、强辐射、原子氧和大温差环境中性能退化及控制机理研究，解决组装结构长寿命与可靠性等问题。

4.3在轨组装机器人技术

近几年来，空间机器人在在轨服务技术的带动下发展迅速，随着在轨组装技术的兴起，空间机器人将逐步向具备自认知、自学习、精细操作及大范围移动能力方向发展，其研究可分解为四项研究内容：

1）机器人系统设计。解决机器人在不同组装任务、环境要求下的机构构型综合、实时控制系统的设计与实现等问题。

2）系列化末端操作工具技术。组装机器人模块多种执行末端／工具的设计和优化，解决机器人与组装多种模块单元之间的高效连接与断开功能。

3）多模式目标识别与定位。解决组装过程中合作目标及非合作目标的精确测量及识别问题，实现机器人多传感器数据的融合使用及自主感知。

4）机器人协同操作与控制技术。解决机器人多臂协同操作时运动和力协调的问题，解决多个机器人协同作业时任务、运动、力协调问题。

4.4在轨组装综合管理技术

在轨组装综合管理技术主要用于前期规划和任务仿真、精度保持、以及后期性能评估和健康管理，其研究可分解为四项研究内容：

1）组装序列与路径规划技术。基于空间拓扑结构的模块组装序列规划及运行轨迹优化，解决以总体精度和效率等为目标的序列路径规划问题。

2）在轨组装任务仿真与优化技术。针对典型任务组装的系统仿真与优化，发现并解决组装任务设计中的矛盾冲突、流程优化问题。

3）组装误差补偿与控制技术。基于全局测量的组装误差累积传递规律及补偿控制算法研究，解决多模块、大跨度组装中的精度保持问题。

4）组装对象性能评估与健康管理。以精度、刚度、效率和成本等为目标构建组装性能评估和健康管理体系，解决组装对象综合评估与健康管理问题。

实现在轨组装技术工程化，需逐步突破结构模块化及单元设计、组装平台设计、组装机器人设计和组装综合管理等方面的关键技术，其中模块单元及连接组件的通用化、组装机器人设计与协同操控、组装过程动力学与控制等技术是在轨组装专有核心技术，直接关系到在轨组装系统的成本、效率和可靠性，需要优先突破。

5 结论

在轨组装技术是未来大型空间结构建造的使能技术，目前，国际上已开展多个针对大型天线、光学载荷以及模块化航天器的在轨组装技术研究，但大多数停留在局部关键技术攻关和概念设计上。未来在轨组装技术实用化，还必须解决模块单元及连接组件的通用化、组装操作的高精度⁃高效率、高精度测量以及组装动力学与控制等关键技术，开展地面和在轨组装演示验证。

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（责任编辑：龙晋伟）

Status and Prospect of On⁃orbit Assembly Technology

SHEN Xiaofeng1，2，ZENG Lingbin1，JIN Yongqiang1，2，ZHANG Qingzhan1，2

（1.Aerospace System Engineering Shanghai，Shanghai 201109，China；2.Space Security and Maintenance Center of Shanghai Academy of Spaceflight Technology，Shanghai 201108，China）

The development of on⁃orbit assembly technology in China and abroad were introduced in this paper and it was found that the on⁃orbit assembly technology targeting the modular reconfigu⁃rable spacecraft，large antennas and large observatories were widely studied.It was pointed out that the generalization of modules and interfaces，the improvement of assembly efficiency and the reduc⁃tion of assembly cost were the key points of the engineering application.The key techniques of the on⁃orbit assembly including the design of modular structure and unit，the design of on⁃orbit assembly platform，the on⁃orbit assembly robot and the integrated on⁃orbit assembly management were summa⁃rized.Finally，problems to be solved in the future for the on⁃orbit assembly technology were ana⁃lyzed and the research proposals were made based on the technical status of China such as focus on the generalization of modular unit and the connection components，focus on the high precision and efficiency of the assembly operation etc.

on⁃orbit assembly；research status；developing prospect；modular

V476.5

：A

：1674⁃5825（2017）02⁃0228⁃08

2016⁃04⁃05；

2017⁃02⁃27

国家自然科学基金青年科学基金项目（51505295）

沈晓凤，女，硕士，工程师，研究方向为航天器在轨服务总体技术。E⁃mail：xfshen1986＠126.com