1.2.1 在軌裝配

在軌裝配是指在太空中將部件組裝起來構建成復雜空間結構，或將1個或多個空間結構分離后進行重新組合的服務任務，如電池陣、天線等的安裝與展開，獨立艙段的在軌對接，以及大規(guī)模空間結構的構建等。

1.任務分類

根據(jù)在軌裝配任務對象的規(guī)模，可將在軌裝配任務劃分為5個層次^[4]。

（1）在軌制造

在軌制造指在太空中將原料制造成零部件。在地面制造航天器花費較大并耗時較多，且運輸時火箭整流罩對航天器的尺寸會有限制，故為滿足空間任務的需求以及大幅降低發(fā)射成本，在軌制造將是未來空間零部件生產(chǎn)制造的發(fā)展方向。2016年3月，美國“天鵝座”（Cygnus）飛船將太空制造公司研制的首臺商用增材制造設備送入國際空間站（International Space Station，ISS），但其能夠制造的零部件尺寸有限，且僅能用于國際空間站內(nèi)部^[5]。

（2）模塊組裝

由于一些模塊體積比運載工具所能提供的可用裝載空間更大，因此可先將模塊拆分成若干個子模塊或零部件送入太空中，接著在太空中將這些子模塊或零部件組裝成1個完整的模塊。2015年7月，美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）啟動了大型結構系統(tǒng)太空裝配項目，旨在實現(xiàn)大型模塊化結構在太空中的自主裝配、服務保障、翻新、重構以及再利用。

（3）整星組裝

部分廢棄衛(wèi)星上攜帶了可長期使用且仍有使用價值的耐損性零部件，整星組裝可將這些零部件與已發(fā)射模塊等組裝成1個新的完整航天器。目前僅有美國國防高級研究計劃局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）的“鳳凰”任務進行過將航天器的零部件與模塊裝配成整星的在軌飛行試驗。“鳳凰”任務設想將具有衛(wèi)星某一分系統(tǒng)級或部件級的模塊化細胞星發(fā)射至地球靜止軌道，并利用空間機器人將其安裝到廢棄衛(wèi)星的天線上，再將安裝有細胞星的天線從廢棄衛(wèi)星上拆卸下來，這樣就構成1顆新衛(wèi)星^[6]。

（4）航天器功能擴展

部分航天器在服役過程中需要增加一些功能，因此可為其增加功能模塊或艙段，使其成為1個新的組裝航天器。日本工程試驗衛(wèi)星7號（Engineering Test Satellite-7，ETS-Ⅶ）的在軌服務驗證任務就是1個典型案例，其模擬了多種在軌可更換單元（Orbital Replacement Unit，ORU）的更換過程，驗證了利用機械臂完成桁架結構組裝、試驗天線裝配等任務的相關技術。

（5）航天器組裝

由于空間站、航天飛機等空間系統(tǒng)經(jīng)常需要執(zhí)行裝配、補給、維修等任務，因此需要將航天器與這些被服務空間系統(tǒng)進行在軌對接，組裝成1個臨時的新航天器，以完成所需任務。歐洲自動貨運飛船對國際空間站的成功補給是航天器在軌組裝的典型應用案例^[7]。

2.任務流程

依靠航天器對空間中的小型零部件或大型結構等進行在軌組裝操作是在軌裝配的主要形式，其包括以下具體任務流程^[8]，如圖1-6所示。

圖1-6 在軌裝配任務流程

（1）準備階段

通過預先設定的軌道將航天器、機械臂或航天員運送至所要裝配的對象附近，通過自主服務航天器完成場地清理、收集空間廢棄材料等準備工作。

（2）裝配階段

搭建基礎桁架，利用攜帶的物資進行桁架裝配。該階段由多個航天器協(xié)同完成，整個過程中航天器間的運行軌道不重合。

（3）返回階段

裝配操作完成后，航天器會進行相應的檢查和測試，清理現(xiàn)場，并按照預定軌道返回。

3.關鍵技術

在軌裝配需要多種技術（涉及控制、機械、材料等多種學科）的支持。在軌裝配中起決定作用的技術主要有航天器模塊化設計技術，空間機器人技術，空間目標識別、跟蹤與測量技術，裝配規(guī)劃與在軌裝配管理技術等。

（1）航天器模塊化設計技術

航天器模塊化設計是在軌裝配操作能夠進行的首要條件，其通過把航天器各子系統(tǒng)分解成若干個獨立的功能模塊，采用標準的機械、電、熱及數(shù)據(jù)接口對各模塊進行連接，實現(xiàn)航天器的整體功能，從而滿足各種多任務航天器設計要求。因此模塊化的航天器應該是一種更緊湊和輕量化的結構，其設計、制造和測試比常規(guī)航天器更快速，而且能重復使用^[9]。

進入21世紀以來，航天器模塊化設計主要經(jīng)歷了模塊化、自適應可重構系統(tǒng)設計，支持在軌展開的航天器結構模塊化設計和支持在軌服務的航天器結構模塊化設計3個階段^[10]。

（2）空間機器人技術

在軌裝配分為有人在軌裝配和自主在軌裝配2種，有人在軌裝配只適用于環(huán)境安全、任務量小的在軌裝配任務。利用可自主運行的空間機器人所實現(xiàn)的自主在軌裝配，可以取代航天員完成一系列操作，包括抓持、組裝等。隨著空間機器人技術的發(fā)展，自主在軌裝配已經(jīng)成為在軌裝配的主要方式，在太空建造項目中得到了廣泛應用。

與有人在軌裝配相比，空間機器人裝配安全性高，成本低，因此受到了NASA和歐洲航天局（European Space Agency，ESA）的關注，現(xiàn)階段用于在軌裝配任務的空間機器人的主要支撐技術如表1-1所示。

表1-1 用于在軌裝配任務的空間機器人的主要支撐技術

（3）空間目標識別、跟蹤與測量技術

空間目標識別、跟蹤與測量技術的主要作用是對裝配對象進行類型或屬性辨認。為保證自主在軌裝配順利進行，必須在一定范圍內(nèi)對裝配對象進行精確探測、跟蹤等，以獲得裝配對象準確全面的運行信息，進而對裝配對象特性數(shù)據(jù)進行歸類計算，使得服務航天器控制系統(tǒng)準確控制與調(diào)整自身軌道和姿態(tài)，實現(xiàn)對裝配對象的在軌裝配。

傳統(tǒng)的空間目標識別、跟蹤與測量技術是以微波雷達和光學望遠鏡為基礎的，其缺陷表現(xiàn)在雷達和光學望遠鏡配合不緊密，進而影響對裝配對象的探測識別效率。隨后產(chǎn)生的激光探測技術克服了傳統(tǒng)方法的不足，可獲取空間目標的距離、速度信息，使得測量精度大大提升，測量范圍大幅擴大。

（4）裝配規(guī)劃與在軌裝配管理技術

裝配規(guī)劃主要是指在裝配前預先擬定的在軌裝配計劃，以外界環(huán)境因素為約束條件，合理規(guī)劃出任務完成所需的全部決策和行為序列。裝配規(guī)劃方法包括人工規(guī)劃方式和計算機輔助規(guī)劃方式，其中計算機輔助規(guī)劃方式能避免人為誤差且效率較高。

在軌裝配管理技術是協(xié)調(diào)、管理和控制各子系統(tǒng)裝配的綜合控制器，其可大幅提高裝配系統(tǒng)的可靠性、生存性和性價比。