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在轨组装技术研究 0 空间操作技术 宇宙技术的发展经历了一个半世纪的过程。人们初步掌握了进入和使用空间的技术。近年来,世界各国都在加强空间力量的建设,使太空成为战略竞争新的制高点。为抢占制空权,各国纷纷展开对各种空间操作技术的研究。在轨组装(Space Assembly,SA)技术具有很好的经济价值和军事利用价值,是未来空间操作技术领域的重要研究内容之一。目前,我国已进入了一个以空间操作为标志的新空间时代,故以大型空间站等设施的建设和“轨道快车”等新型航天器为典型代表,对其在轨组装技术的进展情况进行研究。 1 轨道组装技术 任何航天运载工具的运载能力都是有限的,空间重型或大型结构只能在太空中实施在轨装配。在太空复杂环境中,航天器上的一些部件随时都有可能由于失效、退化或废弃而导致航天器失去价值,在轨组装技术的发展可以很好地解决这些问题。 在轨组装可从在轨服务(OOS)概念中引申出来。在轨组装定义为:在空间中将不同的部件连接起来构建成一个结构、子系统、子系统的单元体等空间设施,或把一个或多个结构分离开来进行重新组合。它包括航天器、空间系统或空间结构的在轨连接、替换、构建、组合或重组,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。 2 多模块装成 根据在轨组装任务对象的规模,将航天器在轨组装任务划分为5个层次:1)两个或多个独立的航天器在轨组装成规模更大的空间结构;2)在一个独立的航天器上增加一个模块或舱段,对其进行功能扩展;3)舱段或模块间的在轨对接组装,使之成为一个独立的航天器;4)模块、零部件在轨组装成新的模块;5)由携带或利用太空特殊环境中生成的特殊材料进行加工制造,生成具有一定功能的零部件,即所谓的在轨制造。如表1。 3 轨道组的发展 按照有无人的直接参与(即任务过程是否需要航天员同时提供在轨支持),在轨组装大体可以分为“有人在轨组装”和“无人在轨组装”2种类型。 1 认识到可以在轨组装的可行性 1961年4月12日,世界上第一艘载人飞船“东方一号”成功进入地球轨道,揭开了载人航天发展的序幕。此后,各国相继进行了一系列有人在轨组装的试验任务。有人在轨组装是指由航天员主导或直接操作进行的在轨组装,对在轨组装5个层次的任务都有涉及。 有人在轨组装的研究和实践经验方面,美国走在世界前列。早在1957年,美国就已经成功完成“双子星座”的交会对接任务,为在轨组装的进一步发展奠定了基础。1973年,航天员成功通过EVA(舱外活动)对天空实验室实现了在轨模块更换和维护等在轨操作,成功验证了航天员通过EVA进行在轨组装的可行性。此后,美国投入大量经费重点研究航天飞机计划,自1981年4月第一架航天飞机“哥伦比亚”号成功进入太空以来,美国进行了大量基于航天飞机的有人在轨组装活动。此时美国的有人在轨组装技术已经达到了一个顶峰,进入工程应用阶段,先后完成了哈勃空间望远镜和国际空间站的装配与模块替换等在轨组装操作。 1990年4月哈勃空间望远镜由“发现”号航天飞机发射升空,此后NASA和欧洲航天局(ESA)对其进行了5次大规模的在轨维护工作,航天员通过EVA(舱外活动)为哈勃望远镜更换、添加模块,提高了哈勃望远镜的性能,延长了其使用寿命。 1998年在国际空间站的首次组装任务中,美国“团结号”节点舱与俄罗斯“曙光号”功能舱成功对接。两者对接依靠航天员操控航天飞机轨道器上的辅助机械臂完成。在此过程中,机械臂充当任务操作者,在两组装对象接近后,机械臂直接捕获“曙光号”服务舱,将其拉向“团结号”的对接机构,完成组装。整个过程对机械臂的长度、最大载荷、灵活性、可操控性等参数提出了较高的要求。 由于人的参与,有人在轨组装显示出很高的自主性和灵活性,航天员能根据问题随机应变和判断处理,从而有效解决实际操作中可能出现的但未能预料的困难与问题。但长期的研究与实践表明,有人参与的这种组装方式也存在着诸多弊端:航天员参与其中,提高了用于在轨组装的运行成本;空间在轨操作,对航天员的安全构成极大威胁;空间特殊的环境,使航天员很难承受过重的工作负荷。因此,有人在轨组装只适用于轨道环境安全、工作强度适中、价格昂贵的在轨组装任务,难以实现普及。 2 美国无人在轨组装技术 无人在轨组装是指借助空间机器人、机械臂等智能装置,通过地面遥控或自主进行操作,也可以是航天器直接利用自主交会对接完成在轨组装任务的方式。 无人在轨组装活动是以自主交会对接技术为前提的。20世纪90年代以来,美国开始投入大量资金开展以高自主性的空间交会对接技术为基础的在轨组装试验的研究。其中最具代表性的就是“实验卫星系统”(XSS)计划和“轨道快车”(Orbital Express)计划。 XSS计划包括XSS-10、XSS-11,2颗卫星分别于200