国外在轨制造和装配技术发展现状及启示①

张从发 ，李 林，李 潇，王浩威，黎 彪，苏 周

(北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)

0 引言

目前，几乎所有的航天器均是在地面完成制造和试验验证后，再通过运载火箭送入轨道。为了将整个航天器放入运载火箭的整流罩内，航天器载荷的尺寸受到严重制约；同时，为了抵御苛刻的发射段力学环境，不得不对运行于微重力条件下的航天器结构进行加强设计，而这些加强设计对航天器入轨后是“无用”的。为了克服这些问题，人们开始研究在轨制造和在轨装配。

在轨制造(in-space manufacturing)指在目标轨道或者地外天体上，利用携带的原材料或者就地取材，由制造设备通过加工制造零部件等。在轨装配(in-space assembly)指通过航天员或者机器人等将在轨制造的零件或者携带的零部件进行在轨装配，形成整个航天器或者载荷结构等。

在轨制造和在轨装配采用“Make it, Don't take it”的理念，具有多种优势：1)可不受运载包络和能力的限制，能够制造超大型结构；2)通过增加、替换载荷设备等，能够实现航天基础设施的灵活性和弹性，如通过在轨道上建立永久平台并安装多种载荷，实现多功能化；及时更新换代，实现技术不断革新等；3)能够根据实际需求进行制造，解决应急需求等；4)能够降低为抵抗发射段力学载荷而附加的结构重量，使材料利用率更高，减少地面测试试验的数量和规模，降低航天器研制成本等；5)能够制造因受地球引力作用无法在地面上制造的结构等[1-2]。

在轨制造和在轨装配根据其应用场景不同，所研究的重点各不相同，所采取的技术途径亦不相同。总体可以分为三类：第一类为在轨制造，针对小型、精密部件，进行应急、按需制备。为了解空间站运行过程中设备出现故障的问题，携带了大量备件；据历史数据统计，95%的备件均未使用[3]。但事先无法预知哪些备件不必需，如果能够进行按需制备，将不再需要携带不用的备件；未来在深空探测领域，因任务时间长和复杂性高，该问题将更突出；第二类为在轨装配，重点针对目前受运载限制无法直接发射入轨的超大型结构，采取发射零部件然后在轨装配的方式，如在轨装配太空望远镜等[4-5]；第三类为在轨构建，包含在轨制造和在轨装配两个过程，基于在轨制造提供超大型结构的基础单元零部件等，进一步结合在轨装配，形成超大型结构，主要面向稀疏的大型及超大型结构。

本文首先分别介绍了国外在轨制造、在轨装配和在轨构建技术的发展现状和所面临的技术挑战，其次，对国外在轨制造和装配进行了总结，提出了一些可以借鉴的启示，供国内在轨制造及装配领域研究参考。

1 在轨制造技术

1.1 概述

自从2014年美国太空制造公司(Made In space)首次在空间站上进行3D打印验证以来，已发展了多项在轨制造技术，材料体系从聚合物，扩展到了金属材料、生物材料等；技术途径从3D打印发展到半固态成形、熔铸等，所制备的产品由结构部件发展到功能部件等。目前已实施的典型计划任务如图 1所示[6-7]。

图1 典型计划任务

1.2 聚合物制造

空间站第一次3D打印就是针对聚合物制造，使用的原料为丙烯腈丁二烯；2016年，美国太空制造公司向国际空间站发射了第二代增材制造装置(AMF)，可制造的材料拓展到了丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、ULTEM 9085材料和高密度聚乙烯等。聚合物3D打印过程的功率相对较低，且空间站28%以上的失效硬件是由聚合物制造[8]，因此采用聚合物制造小零部件受到人们重视。

聚合物制造的另一个研究方向是可回收利用，NASA从2015年开始支持美国系绳有限公司(TUI)开发了可回收设备(ReFabricator)，该设备于2018年11月送入空间站进行试验，其主要采用太空包装材料和塑料袋等作为原材料进行3D打印[9]。

1.3 金属材料制造

航天器许多零部件采用金属制造，金属材料的在轨制造逐渐受到重视。从2017年美国开始支持太空制造公司[10]、TUI公司[11]、超声技术机械公司[12]和Techshot公司[13]开展金属材料在轨制造的研究。四家均采用了增材制造与数控加工相结合的方式，从而可制造精密零部件。各家的增材制造路线各有不同：超声技术机械公司采用超声辅助的半固态加工方法，所需能耗最低；美国太空制造公司沿用 AMF技术采用金属丝熔化焊接方式，Techshot公司采用激光辅助熔化方式，TUI公司采用熔铸方式。这些制造设备均面临功耗、重量和体积的极大挑战。为适应空间站运行要求，设备功耗要低于2000 W，重量要小于261 kg，体积要小于0.45 m3。目前各家正在并行开展研究，最早将在2024年左右开展在轨试验验证[14]。

1.4 电子器件制造

除了在轨3D打印结构件，NASA一些研究中心，如马歇尔太空飞行中心(MSFC)和艾姆斯研究中心(ARC)与喷气推进实验室(JPL)，正在联合开展电子和声学器件的在轨增材制造，已完成了CO2气体传感器和柔性印制板等电子器件原理制造[14]，电子器件的研制可为未来深空探测提供探测仪器，还可为整星级的在轨制造奠定技术基础，是一项应用前景广泛的技术。

1.5 基于原位资源制造

基于地外天体原位资源制造在深空探测中具有极大的优势，欧洲提出了“D shape”制造工艺，美国NASA提出了“Contour Crafting”制造工艺，但这些工艺均需要自带粘结剂[15]。最近，文献[16]提出一种直接利用太阳能进行熔化的制造工艺，不需要添加粘结剂，具有良好的应用前景，但对原材料和制造工艺过程还需开展进一步研究。

1.6 在轨制造面临的技术挑战

在轨制造经过多年的发展，取得了很大的成就，但仍面临一些挑战，主要包括以下方面：

1)在轨制造的材料体系品种仍受到限制

目前仅在轨验证了聚合物作为原料的3D打印，航天器的很多部件采用金属和复合材料制备，需要加快对金属材料和复合材料在轨制造的验证。

2)需要研究在轨制造的新方法

目前空间站的AMF 3D打印机的打印体积为14 cm×10 cm×10 cm，所能制备的零件尺寸较小，可满足小型工具的需求，但扩展应用受限；3D打印的效率较低，空间站打印一个小棘轮用了四个小时，据此推断，稍微大型的零件将需要数天甚至数周才能完成。另外，聚合物材料的打印功耗为600 W，已经很低；但是要提高打印速度和规模，功率势必会增大；并且考虑金属材料的打印功耗是聚合物材料打印功耗的10倍以上[16]，因此，需要研究新的在轨制造方法实现大尺寸低功耗快速零件的制备。

3)在轨制造零件的原位表征和检验方法欠缺

与地面制造零件一样，在轨制造的零件需要进行表征和检验。可有两种途径：一种途径是采用传统的质量验证方法，一种是基于实时过程监测的质量验证方法。传统的质量验证方法目前不被人们看好。NASA已经开展支持多家单位开展基于实时过程监测的质量验证研究，包括原位监控和过程控制[18]、多参数成像技术[18]、基于声学特征的非破坏性评估方法[19]、基于形状和温度实测的闭环控制[20]、自动化的实时工艺控制[21]等。

2 在轨装配技术

2.1 概述

在轨装配技术主要是指将零件或部组件通过运载上行,然后通过手工(航天员舱外操作)或自动方式(机器人自动组装)在轨装配为所需结构。可以是单个零件的逐个顺次装配，也可以是多个组件模块的顺次组装，是一个由点及线及面的概念。NASA在上世纪70年代开展航天员辅助的在轨装配技术试验验证，但随着机器人技术的发展，目前主要是自动化装配途径。

2.2 在轨装配的对象

在轨装配的对象包括整星和载荷结构等。整星级的装配目前仍只局限在组装小卫星，德宇航提出了“太空工厂4.0”(Space factory 4.0)概念，进行了小卫星在轨组装的地面试验验证[22]。

在轨装配的载荷结构主要包括太空望远镜、干涉天线及遮光罩等。这些结构通常为典型的稀疏结构，在轨装配的优势非常突出。目前，在轨装配太空望远镜的研究最多[23]，其典型装配过程如图 2所示，主要是基于可展开桁架模块(DTM)进行自动装配[24]。美国和欧洲均开展了相应的研究，欧空局已完成了水池装配试验，预计2030年～2035年发射[25]。

(a)整体装配过程 (b)桁架和镜片的装配过程

2.3 在轨装配的方式

目前常用的在轨装配方式从执行层面可分为自组装和机器人自动装配。自组装主要是通过立方星集群实现大型结构的装配，加州理工学院/JPL和萨瑞卫星技术有限公司共同开发了利用可以自动停靠和导航的CubeSat集群来重构空间望远镜(AAReST)[26]。机器人自动装配是目前在轨装配的主流，所采用的机器人主要包括自由移动的多臂机器人以及安装在卫星平台上的多个机器臂等。

装配过程可分为“自由生长型”[27]和“工装辅助型”[28]。自由生长型类似自然界植物的生产，是单个零件的顺序安装；工装辅助型是通过工装完成一个模块的装配，然后再进行模块的顺序组装。自由生长型装配精度控制相对困难，但技术适应性广；工装辅助型装配精度直接由工装进行保证，相对容易；但每套工装仅能适应一种结构的装配，适应性和可扩展性弱。

2.4 在轨装配的连接方式

在轨装配快速连接方式可分为快速连接接头和直接机械固定。快速连接接头在上世纪航天员辅助装配的过程中常采用，但接头复杂、对装配操作要求高。目前随着机器人和焊接等技术的发展，开始采用机械螺接[29]或焊接[30]等方式，采用这种方式能够有效降低连接接头的复杂程度以及接头的质量体积等，尤其适用于超大型结构的在轨装配。

2.5 在轨装配面临的技术挑战

尽管在轨装配具有许多优势，但目前这种能力仍面临许多技术挑战。首先，要考虑太空环境对装配过程的影响。这些影响包括：第一、对于低轨操作面临频繁进出阴影的温度交变；第二、太空环境对基于视觉的精度控制带来困难；第三、远程操作受时间延迟的影响，尤其是对于深空任务(如在月球和火星上的任务)；第四、机器人系统必须具有高的可靠性，以及良好的人机交互能力。在轨装配应用于型号之前首先要解决这些问题。

另外，在轨装配要保证“所建即所想”，要确保在轨装配规划是按照计划执行的，因此必须进行新的研究。值得庆幸的是目前地面上已广泛应用了自动化技术和人工智能技术等，尤其是在汽车行业和微电子行业，这些行业的宝贵经验可被航天器的在轨装配所借鉴。

3 在轨构建技术

3.1 概述

在轨构建技术主要是指发射时携带原材料，在轨通过制造设备完成零部件制造，然后自动装配成满足功能需求的大型及超大型结构，充分发挥在轨制造和在轨装配(In-Space Robotic Manufacturing and Assembly,IRMA)的技术优势。在轨构建主要是面向大型和超大型稀疏结构，典型代表是美国TUI公司提出的“蜘蛛制造”(SpiderFab)技术构想[31]。

美国NASA通过技术演示验证(Technology Demonstration Mission,TDM)计划支持美国太空制造公司、轨道ATK(Orbital ATK)公司和劳拉空间系统(Space Systems/Loral)公司分别开展了在轨构建技术的研究[32-33]。

3.2 美国太空制造公司

美国太空制造公司牵头，联合Northrop Grumman Corp，Oceaneering Space Systems和ARC中心，重点验证可扩展结构的增材制造和所制造结构的自动装配。该方案以聚合物作为原材料，利用结构构型设计增加部件的刚度性能，适用于太阳翼支撑臂杆等结构；但扩展应用于构建平台结构会面临问题。目前所研制的在轨构建设备已完成地面环境试验，计划于2022年左右发射“太空建筑师一号”进行在轨验证，在轨打印10 m长的太阳翼支撑臂杆将柔性太阳翼展开[34]，目前该任务命名为OSAM-2任务(On-Orbit Servicing, Assembly and Manufacturing,OSAM)[35]。

3.3 美国劳拉空间系统公司

美国劳拉空间系统公司牵头，联合兰利研究中心(LRC)、ARC中心、TUI公司、美国MDA和布兰普顿(MDA US & Brampton)在“凤凰”计划的基础上，实施“蜻蜓”计划。主要进行在轨大型天线的装配验证以及天线支撑臂的在轨制造验证等。支撑臂杆主要由美国系绳有限公司负责，其采用的技术路线是连续纤维增强树脂基复合材料预浸带的成形方式，所制造部件的环境适应性相对较好，但复合材料的性能优势受制造工艺的限制很难充分发挥。目前，计划在Restore-L spacecraft上进行在轨装配一个3 m口径通信天线和在轨制造一根10 m长支撑臂杆，对装配技术和制造技术进行分别验证[36]，目前该任务命名为“OSAM-1”任务，以概括这个世界上第一个在轨服务，并进行组装和制造演示的航天任务[37]。

3.4 美国轨道ATK公司

美国轨道ATK公司牵头，联合美国格伦研究中心，LRC中心，美国海军研究实验室等单位重点开展在轨装配的研究，验证大型桁架结构的在轨搭建以及可重复拆装的机械和电子连接等。大型结构所需的桁架杆由地面发射入轨，装配过程桁架杆与接头采用电子束焊接的连接方式，目前该技术方案已经完成了地面试验验证[32]，未见报道开展在轨验证的计划。

3.5 小结

美国针对在轨构建的研究启动较早，技术相对成熟，支持的三家单位均已完成地面试验验证，其中两家在最近的2～3年将完成在轨试验验证。在轨构建是一个多学科交叉的领域，支持的三家均为一个技术联盟，由多家单位互相合作完成整个项目。

4 在轨制造和装配技术国内差距分析及发展启示

通过对国外在轨制造和装配技术发展现状和水平的梳理，对比国内可知，国内在任务规划、关键技术攻关、研究团队建设等方面均存在较大差距，具体体现在以下方面：

1)国内缺少顶层规划，美国在国家层面从2010年就制定了在轨制造技术领域的发展路线图，并且随着新技术的出现和应用并对其进行更新；而国内目前还未出台国家层面的发展路线图，尚处于技术论证阶段。

2)国内在轨制造和装配领域关键技术成熟度低，美国通过演示验证计划已经支持相关单位开展在轨试验验证，如“OSAM-1”和“OSAM-2”任务；另外，其多项技术也已完成地面试验验证，如美国太空制造公司全自动桁架构建系统已经完成了热真空试验验证等。相对而言，国内仅个别单位开展了3D打印工艺的在轨可行性验证，还未见有系统级地面试验验证的报道，目前还未见开展大尺寸零件制造的试验验证等。

3)国内在在轨制造和装配领域的关键技术突破不全面，国外关于在轨制造和装配领域，从顶层任务规划、系统设计，到各种制造方法、在轨测量，再到全过程质量控制、数值模拟等方面，均开展了相应的关键技术攻关，都取得了一定的成果；而国内主要集中在3D打印工艺研究以及相机装配等领域，在其它技术方面的研究相对薄弱。

4)国内研究团队相对较弱，仍未能形成技术联盟，国外通过联合各技术方向的优势力量，形成了一些技术联盟，这些技术联盟能够充分发挥各自的优势，最大化促进该领域的发展；而目前国内仍以单位自我研制为主，未能形成一些实力强的技术联盟。

通过对国外发展现状的梳理以及国内差距的分析，可得到以下启示：

1)目前研究的热点是面向应急、按需的在轨制备，在此方面的研究最为活跃，开展的在轨试验验证也是最多的；材料体系从树脂材料、金属材料到生物材料等，所制造的产品从结构部件到功能部件(如传感器等)；技术途径从3D打印到熔铸、半固态成形等，并且结合传统机械加工，开展小型高精度零件制造，可解决空间站运行和未来深空探测的应急需求问题等；针对应急、按需制造领域，需求相对独立，通常一台独立设备即可满足需求，可以鼓励优势单位积极参与，从而能够为型号总体单位提供更多的技术选择等。

2)目前研究的重点是大型结构的在轨装配，尤其是相机的在轨装配，美国和欧洲均开展了相应的研究，这个方面技术极有可能最早应用于型号，其应用将促进航天技术快速发展，并且还可降低航天器研制成本；在此领域国内、国外研究起点相对差距不大；关于此领域，需求相对明确，主要的关键技术是机器人技术及其智能操作技术等，在此方面可以充分发挥自动化、自动操作领域单位的优势力量。

3)未来研究的重点是在轨构建技术，其应用将会带来航天器研制模式的变革，牵引在轨服务、深空探测等领域的发展；并且，其应用还将带来商业利益，可促进商业航天的发展。目前，美国在此方面的投入相对较大，支持了多种技术途径的发展。国内也需要多支持相关优势单位开展不同技术途径的研究，不仅要发展增材制造，同时也要发展等材制造等。

4)目前重点解决的共性技术是在轨制造过程的质量控制，这是在轨制造进行型号应用的前提。在此方面，美国NASA已经支撑了多项研究，所支持的项目涵盖了多种技术途径，包括基于声学的、基于摄影测量的，以及基于闭环控制等；相应国内也需要尽快安排相关的研究课题，支持关于质量控制方面的研究，发展多种解决措施为未来型号选用；另外，也可以通过传统航天单位与质量控制方面优势单位合作，如自动化生产线过程的质量控制理论和工程实际经验等应用于在轨构建。

5)在轨构建是一个多学科交叉的全新领域，在一定程度上讲是将智能制造领域最尖端技术应用于空间，终极目标是打造“太空工厂”；国外的研究策略是成立由政府、研究机构和企业等多方联合的技术联盟。国内也需要成立相应的技术联盟，这些技术联盟并不局限于传统航天单位，还要联系非传统航天单位，尤其是像汽车行业和微电子行业单位等，他们在自动化、智能控制、质量过程管理等方面有宝贵的经验，这些成功经验可应用于航天器在轨构建；

6)在轨构建技术是一项具有广泛应用前景的新技术，但技术完全成熟还需开展长期研究；国外采取成熟一项验证一项，并不追求进行系统性的完整验证；开展验证试验，一方面借助国际空间站现有验证平台，还会研制一些专门验证平台。国内也可以采取这种方式，逐步验证，成熟一项验证一项。验证时，一方面可以利用即将建成的中国空间站开展舱内在轨制造的验证，以及开展舱外的在轨装配和在轨构建的验证；另一方面，还可以基于目前国内搭载试验卫星或者商业卫星，开展有针对性的专项试验验证，如基于3D打印大尺寸杆的重力梯度试验卫星等。