航天器構型重構技術研究進展與展望

彭祺擘,武新峰,王北超,李爽,*

1.中國航天員科研訓練中心,北京 100094 2.南京航空航天大學 航天學院,南京 211106

1 引言

航天任務需求的不斷提高對航天器的任務能力提出了更高要求,其本質在于深化航天器的系統性能。有效載荷是航天器系統的重要組成部分,對有效載荷的選擇及其應用性能的設計將直接影響航天任務的實現[1]。當前的航天任務場景復雜且種類繁多,這要求航天器的有效載荷具備多樣性,使系統趨向多功能化。但傳統的系統設計使得航天器的拓撲結構及其活動度相對固定,難以用于變環境、多工況的任務場景,還會受到運載火箭的多器發射與直接入軌能力以及結構承載性能的限制。因此,開發航天器的在軌構型重構是十分必要的[2]。

構型重構技術能夠使航天器根據不同環境和任務進行自適應構型變換,通過增減某些結構模塊或重新組合現有模塊,由當前構型迅速變換為另幾種適應新環境、新任務的構型[3]。利用模塊變換可對任務目標進行擴展或更改,使航天器具備新的任務能力。相比于傳統航天器,可重構航天器真正實現了“一體多能”,能夠滿足變環境、多工況的任務需求,同時實現資源節約和能耗降低[4]。

特別地,構型重構技術將有利于航天器開展在軌服務,通過采用模塊化分系統、設備和器件完成在軌更換、維修和升級等操作[5]。構型重構技術使航天器具備了高冗余特性和魯棒性,用冗余模塊替換故障模塊即可實現快速修復,降低了在軌維護的難度[6]。此外,構型重構技術能夠改變航天器的運動方式以適應不同的任務場景,而某些特殊載荷也將具備隱蔽功能,這體現了較強的自適應性。構型重構技術還能提升航天器的經濟性,可重構航天器由大量基礎模塊構成,可采用批量化研制,有效降低了生產成本。憑借上述特性,構型重構技術將在航天工程中擁有廣闊的應用前景。

綜上所述,航天器構型重構技術具有重大的研究意義,但目前對于該技術的完整綜述很少。鑒于航天器構型重構研究的必要性,本文對構型重構技術展開綜述。主要基于結構與功能一體化和主結構變構型技術,論述了細胞化、模塊化等先進設計理念的研究現狀。基于標準化模塊設計和重構規劃等方法,進一步歸納了構型重構技術體系。隨后,概括了構型重構技術在航天器故障排除和功能更新等方面的應用前景。最后對構型重構技術研究進行總結與展望,旨在為該技術的未來發展提供參考。

2 構型重構內涵及分類

2.1 構型重構內涵

航天器構型重構是指航天器入軌后通過主結構解鎖、變形和主結構再鎖定等重構步驟,從發射構型變化到工作構型的過程[7]。航天器構型重構是一種綜合性的航天技術,能夠按照自身結構分解和重組進行規劃,利用子系統和模塊進行重排、更替和嵌套等方式實現系統的重新組態,以適應空間環境變化和多種任務需求[8]。航天器構型重構需綜合考慮各模塊結構的劃分原則和組合設計方法[9],以及多任務中的模塊結構、載荷和資源等要素的變化規律[10]。航天器構型重構實質上是多要素的有機再整合,系統各部分經多次關聯協調,最終形成面向實際工況的高效整體。

基于上述原理,航天器構型重構能夠解決目前存在的關鍵問題,例如載荷安裝空間需求大[11]等問題。重構載荷艙具有自重構功能,在發射時重構結構收攏于主結構,以滿足發射包絡要求,入軌后重構結構按要求進行展開,進而實現載荷艙的在軌重構。此外,構型重構還能滿足多載荷的視場和指向等需求[12]。

2.2 構型重構分類

在航天器構型重構的綜合研究中,重構設計方法各異,尤其是面向實際的多工況功能需求,至今還沒有一套系統、普適的方法。宏觀上對于航天器構型重構一般可基于重構主體以及結構與功能進行分類(圖1)。

(1)基于重構主體分類

基于重構主體的差異,航天器構型重構包括多艙段重構和航天器本體重構。首先,多艙段任務中需要航天器協同完成接近、校正和鎖緊等操作,在對接完成后航天器各模塊通過重構機構形成面向特定工況的組合體[13-14]。其中,空間交會對接技術是大型航天器完成在軌裝配、維修和燃料補給等多目標任務的關鍵技術[15],對接與轉位機構是空間站的重要組成部分,承擔著各艙段間的對接、分離、轉位和再對接等任務[16]。例如空間站、太空燃料站[17]等艙段的交會對接。國際空間站利用該技術還直接完成了桁架、太陽電池翼板和艙段的組裝任務。此外在阿波羅登月任務中,地球和月球軌道上分別實現了一次交會對接,這能夠區分和獨立登月飛行器與返回飛行器的特有功能,進而大幅降低對運載火箭的能力需求。多艙段航天器通過構型重構能夠形成一體化的航天結構,能充分利用自身的功能性直接完成特定的航天任務。

另一方面,航天器還能通過自身機構的運動實現結構和載荷模塊的重新布局。本體重構根據主結構的變化情況又分為兩種:1)主結構不變,僅星體表面的組件和載荷模塊進行展開或收攏,例如可展開天線陣列和成像系統的構型變化等[18];2)主結構改變,包括可重構空間望遠鏡和太陽能電站的構型變換等[19]。此類結構一般屬于體裝結構,即在航天器上直接安裝本體模塊和可變形結構,入軌后可沿導軌進行構型重構。相比之下,航天器本體重構更能凸顯構型重構的模塊化特征,且鑒于空間交會對接技術發展十分成熟,已成為一項獨立研究的技術,因此側重于航天器本體重構的研究是十分必要的。

圖1 航天器構型重構分類Fig.1 Classification of spacecraft reconfiguration

(2)基于結構與功能分類

在可重構航天器平臺中,平臺的結構部分提供變構型前后的承載和接口功能,機構部分則提供變構型中及變構型后的驅動、鎖緊和釋放功能[11]。按結構和功能的不同,航天器構型重構可分為航天器載荷艙結構重構與功能機構重構兩部分[20]。結構重構包括固定結構與可展開結構重構,其中固定結構是指固定基座部分(主結構靜架),通常為箱板組合結構,用于承載航天器的大部分有效載荷;可展開結構由多個外形與接口基本相同的分支組成(主結構動架),主要為板梁組合結構,一般用于安裝航天器的相關技術設備。

功能機構是航天器平臺的重要組成部分,其中驅動機構由驅動組件、傳動系統、根部鉸鏈和輔助支撐等組成,是實現可展開結構展開及鎖定功能的機構。功能機構重構主要包含驅動機構、鎖定機構和鉸鏈重構,以太陽電池陣的驅動機構重構為例,該重構是根據姿態與軌道控制分系統的指令,驅動大型電池陣實現對日指向,同時將獲取的太陽能通過功率導電環傳輸至航天器本體,以滿足航天器各個部件的能源需求[21]。此外對于某些高精度、高穩定度需求的在軌任務,驅動機構重構將有利于太陽帆在軌道周期內按照特定規律進行轉動[22],改變作用于太陽帆上太陽輻射的大小和方向[23],既能減小航天器的燃料消耗,又提高了任務精度。

3 構型重構技術研究進展

21世紀初,美國、日本和德國等國家開始對航天器構型重構技術進行研究,分別提出了細胞衛星(CellSat)、超級機器人(SuperBot)和衛星智能模塊(iBOSS)等概念,并進一步開發了在軌服務和星表探測等典型應用[24-27]。相比之下,國內對于構型重構技術的相關研究起步較晚,研究成果較少。目前,航天器構型重構技術主要包括外圍變構型、結構與功能一體化變構型和主結構變構型技術。

3.1 外圍變構型技術

外圍變構型技術屬于航天器構型重構技術的初級研究,是指直接對航天器表面的部分組件和載荷模塊進行安裝或移除等操作。外圍變構型技術采用的主要方式包括抽屜式、外掛式和可開合艙門式。

1)抽屜式:將載荷模塊直接嵌入航天器的結構內部,更換過程中利用空間機械臂實現模塊的插入和拔除[28],如圖2所示。

圖2 抽屜式構型[28]Fig.2 Drawer-type configuration[28]

2)外掛式:將載荷模塊外掛于航天器的結構外部,更換過程中直接完成表面結構的移除和安裝操作,如圖3所示。

圖3 外掛式構型Fig.3 Add-on-type configuration

3)可開合艙門式:將載荷模塊置于航天器的艙室內部,更換過程中艙門打開為在軌服務提供通路,服務完成后艙門關閉[29],如圖4所示。

圖4 可開合艙門式構型[29]Fig.4 Openable and closable hatch-type configuration[29]

特別是,中國北京空間飛行器總體部在“十二五”裝備預研項目中,集成應用多功能結構技術和大負載高剛度、高精度重構機構技術,自主研制了一套重構載荷艙工程樣機,該項目綜合應用了可開合艙門式和外掛式的研制思路,相較于單純的外圍變構型具有更強的功能性。相比之下,可開合艙門式可為載荷模塊提供較好的工作環境,但具有更高的技術難度,對執行機構要求較高。抽屜式和外掛式對執行機構的要求較低,其中抽屜式可用于小型模塊的更換,外掛式構型則更適用于大型模塊。

3.2 結構與功能一體化變構型技術

結構與功能一體化變構型技術是指航天器系統的可變形結構具備了特定功能,同時采用一體化的設計方法。目前,該技術在構型重構研究中發展迅速、成熟度較高,已涵蓋超級機器人、細胞衛星和蜂窩衛星等多種先進研究,以及在軌維護和星表探測等典型應用,這將在本節進行重點論述。

(1)超級機器人

超級機器人是由美國南加州大學和NASA共同研制的一款新型可重構空間機器人,采用了模塊化和自配置的方法以實現低成本、多功能和自適應能力[30]。SuperBot由多模塊結構組成,每個模塊有3個關節,中間關節可沿正反兩個方向連續旋轉,其余兩個端部關節均能旋轉±90°(圖5)。多關節設計能夠為SuperBot的每個模塊提供高靈活性,可充當萬向節機構,使模塊在無需任何外部協助的情況下動態改變其形狀和移動狀態。

圖5 超級機器人的模塊設計[30]Fig.5 Design of the SuperBot module[30]

SuperBot模塊使多模態轉換更加靈活,例如將中間關節旋轉90°,可分別轉換為MTRAN形狀(M模塊)和CONRO形狀(C模塊)。SuperBot的多模塊可組成多種構型以實現多形態運動,同時適應不同的環境條件、運動速度和供能效率。基于不同的目標任務,SuperBot模塊能自動配置到不同系統中,可配置系統的構型包括:滾動軌道或車輪(用于正常在軌運行)、蜘蛛或蜈蚣(表面攀爬)、蛇(挖洞)、長臂(用于檢查和維修)以及微重力環境中的飛行形態等(圖6)。

圖6 超級機器人的環形和爬蟲形構型Fig.6 Annular and crawler configuration of the SuperBot

(2)細胞衛星

細胞衛星(CellSat)[31]是一種新概念納衛星,是實現可持續空間系統的重要解決方案。CellSat由多個積木形狀的細胞單元組成,具有可重構的體系架構,能夠實現遙感、通信等功能。細胞單元比傳統模塊更小,是由模塊拆分成的更小功能單元,兼具電池、處理器和通信單元的功能,能進行重組以實現特定功能。憑借獨特的細胞化設計,CellSat具備了極高的靈活性,相比于傳統衛星擁有更多的配置方式[32]。CellSat的細胞化特性包括:1)結構標準化;2)構型多樣化;3)即插即用性(快速完成自我替換和系統修復);4)連接機構的可靠性;5)易于機器人識別和操作(CellSat的組裝和維護通過空間機器人完成);6)結構輕巧;7)內部空間充足。CellSat的總線單元同樣具有標準化特性,這使得CellSat的研發更加高效,批量化生產將成為現實。

基于CellSat的優良特性,日本東京大學于2005年提出利用CellSat和在軌服務機器人(OSR)共同構建新型可重構空間系統[31](圖7)。其中,OSR承擔著衛星組裝、拆卸、加油和重新配置任務,CellSat可多次抵達OSR進行適當的維護,結束后再返回工作循環。CellSat所需的空間資源將會定期從地球發送到OSR上。故障衛星和耗盡的模塊由OSR負責脫軌,將不會變成空間碎片。可重構空間系統也能持續更新CellSat的結構、設備與燃料,使衛星處于最新狀態,能隨時進行在軌重構以滿足任務需求[33]。

圖7 可重構空間系統概念圖Fig.7 Conceptual diagram of reconfigurable space system

(3)蜂窩衛星

在細胞衛星的基礎上,美國國防部高級研究計劃局(DARPA)提出了一種新型衛星單元—蜂窩衛星Satlet[34]。每個Satlet都能提供衛星整體功能的一部分,當硬軟件聚合時即可實現完整功能[35]。DARPA的鳳凰計劃正在開發這種新型衛星,并通過空間機器人的在軌服務進行驗證,結果表明,Satlet不受運載工具、有效載荷和軌道的限制。若將Satlet用作大多數航天器的基本單元,那將在無性能損耗和低成本的情況下實現高質量的在軌服務。

微納星的標準化為推動航天器硬件和有效載荷的小型化提供了良好的平臺,但它是以犧牲系統的某些性能為代價的。模塊化航天器的接口標準化具有一定的價值,但仍需對眾多異構模塊進行附加性測試,因此傳統的微納星模塊化方案似乎不能為空間系統提供新的可持續市場。作為鳳凰計劃的支柱產業,Satlet的研發能夠解決上述問題,使得衛星行業能從硬軟件接口標準化和大規模生產的商業杠桿中獲益。結合鳳凰計劃首個階段技術發展中衛星的尺寸和性能估計,僅美國發射的衛星就可以創造每年2000～8000顆Satlet的市場需求,而全球市場可達到每年10000～40000顆衛星的需求,這種可持續生產將極大推動衛星行業的發展[36]。

特別是,鳳凰計劃在一項試驗中將Satlet應用于構建大型空間反射器系統。根據Satlet的功能性將其分為若干組,其中異構組包含了不同功能模塊,例如一組攜帶動力單元和處理器,另一組攜帶處理器、數據存儲和推進器,而同構組均包含了航天器功能的一部分。結果表明,Satlet提高了反射器系統的收納比,展開后具有高剛度及穩定性。采用獨立模塊能擴大信息傳輸容量,進而實現高分辨率遙感。因此,蜂窩衛星能夠讓衛星的有效載荷在任務工況中發揮出更高的性能。

(4)Seasat SAR天線陣列

NASA噴氣推進實驗室(JPL)首次發射了載有合成孔徑雷達(synthetic aperture radar,SAR)的海洋資源探測衛星Seasat[37]。Seasat通過在平臺上搭載天線來發射和接收電磁波來探測海洋目標對電磁波的調制特性,其平面天線陣列由8塊大型可展開相控陣構成,陣列天線的展開尺寸可達10.74m×2.16m,而收攏尺寸僅為1.34m×2.16m。

Seasat在空間運行105天,采用了重復軌道干涉模式,首次從空間獲取了海洋雷達干涉測量數據。該衛星不受光照和氣候條件等限制,能夠實現全天時、全天候的高分辨率對海觀測。

(5)花瓣式可展開成像系統

花瓣式可展開成像系統是一種典型的可重構航天器平臺,以Golay-3、GSFC和Lidar成像系統為代表。這類系統一般由多組子鏡組成,一般呈中心對稱布局,即中間子鏡維持不變,外側子鏡和次鏡進行展開或收攏。

Golay-3成像系統(圖8)由4組子鏡構成,外側3組次鏡可折疊,相對于中心1組子鏡成120°均勻分布[38]。GSFC與Golay-3類似,同為中心對稱布局,差別則是前者由“1+8”組子鏡構成,8組次鏡的折疊方式與Golay-3也存在差異,8組次鏡可交替折疊在中央的正八邊形子鏡的上側或下側[39]。

Lidar成像系統(圖9)是NASA蘭利研究中心和科羅拉多大學于20世紀90年代末提出。Lidar系統采用“1+6”中心對稱布局形式,1組中央子鏡采用六邊形構型,6組次鏡采用四邊形構型,收攏或展開靠執行機構,次鏡向上折疊以較低的發射狀態解決火箭發射包絡的限制。

圖9 Lidar成像系統的構型重構Fig.9 Reconfiguration of the Lidar imaging system

(6)可重構探測機器人

在航天器構型重構中,功能機構的解鎖、展開、鎖定和多自由度部件的在軌組裝,都需要配備靈活且可靠的空間機器人[40]和高精度機械臂[41]。然而空間機器人的耗能較高,在復雜環境中很難實現長時間、大范圍的設施建設與維護[42]。因此依托于機器人技術的發展,可重構空間機器人應運而生。

目前,可重構空間機器人主要用于月球等星球的表面環境與資源探測任務。如圖10所示,ESA研發的可重構月球車[43]通過6個驅動輪的構型變化實現了多足爬行和機械臂工作的多重構形態,具有較強的靈活性和穩定性。隨后DLR提出了模塊化多機器人月面探測[44]的概念,其探測任務由四輪機器人Sherpa和六足機器人Crex共同執行,二者能完全獨立工作,也可通過機電接口重構為綜合勘探多機器人系統(圖11)[45]。相比之下,該系統還能實現初級人工智能,如識別和繞過障礙物等操作。

圖11 德國可重構多機器人綜合勘探系統[44-45]Fig.11 Reconfigurable multi-robot integrated exploration system of the DLR[44-45]

上述可重構空間機器人均具備了高度的自主性和極強的環境適應性,在復雜的月面地形中仍能滿足星表探測和土壤采集等任務需求,此外還能同時完成高價值目標的精細化維護,包括燃料補給、物資運輸、模塊更換與重構利用等工作[46],這對于可持續的星表探測具有重大意義。

綜上所述,結構與功能一體化變構型技術已獲得廣泛的研究與應用,這將極大推動航天器構型重構技術的發展。值得注意的是,結構與功能一體化變構型是特定載荷為了適應火箭發射包絡所進行的自重構,比如大型SAR天線和成像系統,均屬于航天器構型的定制設計。因此鑒于各類航天器的結構與功能存在一定差異,細胞衛星、蜂窩衛星等先進理念的應用拓展將具有很高的研究價值。

3.3 主結構變構型技術

多年來,航天器的主結構設計主要面向克服發射階段的力學載荷展開[47],而在軌服務中航天器構型的功能需求是“對天、對地”面積大,這本身就是一對矛盾。前一載荷的發射要為后面的載荷騰出空間,以達到最優的發射姿態。且功能的高度需求要求航天器有效載荷的布局空間更大,即確保多載荷布局[48]。另外,對于航天器關鍵模塊的在軌維護,現有的機械臂操作空間有限,尤其模塊位于航天器主體內部時將無法進行維護操作[49]。因此面向上述挑戰,主結構變構型技術應運而生。

(1)多任務模塊化航天器

對主結構變構型技術的研究可追溯至20世紀70年代,NASA首次提出了適用于多任務的模塊化航天器(multi-mission modular spacecraft,MMS)[50]的設計理念,如圖12所示。MMS是一種典型的主結構變構型系統,將姿態控制、通信與數據處理、電源、熱控模塊等標準子系統進行重新組合,兼具在軌裝配、維修和升級等功能,能有效延長航天器的運行壽命,并增強系統的魯棒性。

圖12 MMS模塊化子系統Fig.12 The MMS modular subsystem

(2)衛星智能模塊

2010年,DLR開展了衛星智能模塊(iBOSS)項目[51],旨在利用在軌服務航天器將智能模塊立方體裝配成模塊化可重構航天器。iBOSS從傳統衛星發展成標準化、智能化的構型模塊衛星,每個標準化模塊均包含了重要的系統組件,通過構型重構能夠實現系統的功能拓展與維護。

如圖13所示,智能空間系統接口(ISSI)是iBOSS衛星的核心組件,這種多功能接口能在各模塊、星載部件和有效載荷間建立機械、信息和能量的聯結。其中外側4個角點均配有一套機械接口,每套包括2組導向/鎖緊裝置,鎖扣與局部凹槽的配對設計能夠實現鎖定與解鎖。模塊安裝面的中心位置還配有多個電/信息接口,在組裝角點機械接口時這些接口也能進行同步連接。功能聯結的整體性和可操作性是iBOSS的關鍵原則,也是在軌服務的重點需求。

圖13 iBOSS單元衛星[51]Fig.13 The iBOSS element satellite[51]

(3)空間維護維修平臺

標準化接口技術的迭代和即插即用技術的發展已成為主結構變構型技術發展的必要條件。空間維修維護平臺(space maintenance and repair technique,SMART)由美國國防部主導的SCOUT計劃支持,其核心技術體現在SMARTBus總線的設計上,總線可為模塊化航天器系統提供一系列機/電/邏輯(互操作性/軟件)標準。基于該標準研發出了多六邊形模塊堆棧結構,每個模塊均可執行特定的子系統功能,通過總線聯結以實現整體功能。SMART的研發能夠解決航天器局部模塊的在軌維護問題。

(4)可展開航天器HEXPAK

HEXPAK也是基于模塊化設計理念的一種可展開航天器[52],由美國Lockheed Martin公司專門為空間快速響應任務所研制。HEXPAK繼承了現有的可重構系統部件,板艙間統一采用鉸鏈連接,所有的供配電纜都被嵌入底板夾層,并在底板設計了標準規格的機械鎖緊機構,便于繼承性部件的安裝和測試。HEXPAK采用多層大型可展開結構,通過主結構重構的方式增大了單元內的熱控輻射面積,最優利用了火箭整流罩內容積和航天器可裝配空間。

(5)可重構空間望遠鏡

主結構變構型技術也能同樣應用于太空觀測任務中。為實現更深入的太空觀測,目前正在推進開發光學直徑大于10m的空間望遠鏡[53](Hubble望遠鏡的主鏡直徑約為2.4m),這類帶有大型主鏡的空間望遠鏡有望擴大人類對宇宙的認知。

英國薩里大學和美國加州理工學院聯合開展了太空觀測衛星的在軌重構研究,使用2顆搭載高精度自適應反射鏡的3U立方星和1顆15U的主平臺衛星進行可重構空間望遠鏡的自主裝配(AAReST)[54],進入軌道后這些衛星可重新配置成一個超大型分段式光圈。AAReST采用主聚焦設計(焦距1.2m,視野0.3°),主鏡稀疏孔由多個直徑為10cm的圓形反射鏡組成。在滿足初始校準和成像要求后,立方星攜帶的兩個反射鏡將從鏡組中分離并進行重新定位,儀表組重新組裝后將再次執行鏡面校準和成像。試驗結果證明了AAReST能夠以較低成本通過直接裝載實現最佳成像任務。

(6)多旋轉關節空間太陽能電站

為實現太陽能的大規模開發利用,國際上開展了空間太陽能電站(space solar power station,SSPS)的相關研究。SSPS能夠持續接收太陽能,不受季節和晝夜變化影響,且接收的能量密度高,是地面平均光照功率的7-12倍,還能實現穩定的無線能量傳輸[55]。SSPS將徹底改變人類獲取能源的方式,帶來新能源、新材料和光電技術等多領域的重大創新。

基于主結構變構型技術,錢學森空間技術實驗室于2014年提出了多旋轉關節空間太陽能電站的設計方案(multi-rotary joints SSPS)[56]。如圖14所示,電站系統由太陽能收集與轉換、電力傳輸和信息管理等7個分系統構成,太陽電池陣、微波發射天線等主結構均采用模塊化設計理念,便于系統制造和在軌裝配。電站采用多個獨立的太陽電池子陣和中等功率的導電旋轉關節代替傳統的整體式陣列,解決了目前大功率導電關節旋轉的技術難題和關節單點失效問題。此外,電站還使用大型動量輪控制各電池子陣的對日定向,降低了推力器的使用數量和燃料消耗。

圖14 多旋轉關節空間太陽能電站方案[56]Fig.14 Scheme of the multi-rotary joint SSPS[56]

主結構變構型技術能夠根據空間任務需求的差異,實現航天器模塊化設計、縮短測試流程和研制周期等目標。然而,這類航天器大多未經歷在軌運行試驗,目前仍處于樣機研制與技術驗證階段。

基于上述研究,模塊化和細胞化已成為航天器構型重構技術的核心發展理念,這使航天器兼具靈活性強、功能豐富和操作簡便等優勢,將更好地完成在軌服務和星表探測等重大空間任務。模塊化航天器將成為新一代航天器的設計模式,對航天工程領域的科學探索意義重大。同時,研制細胞衛星可以極大降低衛星的研發費用,實現批量化生產。

4 構型重構技術體系

4.1 標準化模塊航天器設計技術

標準化模塊設計將成為未來航天器構型重構技術的主流發展趨勢[57]。標準化模塊航天器由多個功能獨立、構型相同、具有標準接口的功能模塊組成,各模塊間具有可連接性和互換性,能進行連接、分離和置換以改變構型,在保持整體連通性的同時擴展運動形式和功能。基于主結構變構型技術,標準化模塊衛星可進行組合發射(圖15)。首先設計合理的模塊化初始構型,然后將多顆衛星組合成標準的發射構型,入軌后發射構型并分離解體。衛星根據模塊上傳感器所提供的關鍵信息進行在軌重構,變換為目標構型以執行新任務[58]。

圖15 標準化模塊衛星的組合發射與在軌自重構[58] Fig.15 Combined launch and in-orbit self-reconfiguration of standardized modular satellites[58]

對于標準化模塊航天器設計,首先需要解決功能模塊間的通信問題。在復雜的任務場景中,航天器的傳感器、控制器與執行器模塊需要通過無線網絡進行大量的信息交換。為保證各模塊的協調一致和穩定運行,模塊間需要靈活、高效的無線網絡通信以保證信息實時傳輸。模塊化系統還需降低功能模塊間的通訊頻率,無線網絡受限于通信帶寬,因此要在保證系統性能的同時降低通信負載,以提高網絡資源利用率。此外多模塊空間布局設計、構型重構分析及工作模式研究也需要進一步探索。

總體而言,無線網絡通信技術、信息交互技術、功能協同技術、構型保持、重組與功能適變技術已成為標準化模塊航天器設計的關鍵技術,同時為多模塊系統的可重構和即插即用特性提供了頂層技術支撐,而具有網絡化系統架構的即插即用技術也將推動未來模塊化航天器的高質量發展。

4.2 航天器構型重構規劃技術

重構規劃是航天器構型重構中的關鍵技術。在構型重構過程中,需多次執行航天器重構規劃以得到可行的自重構策略,并根據該策略完成與目標任務相適應的構型重構。目前,航天器重構規劃研究主要集中在兩個方面:1)以可重構航天器的模塊結構為本體,由本體結構決定其運動規則及重構規劃方法;2)以重構規劃運動算法為主體,借助已研發的模塊構建平臺提出多種規劃算法。

第一類方法是航天器重構規劃的主流方向,已應用于具體的可重構航天器中。基于生物免疫網絡體制,Mitsumoto提出了細胞衛星的分布式控制算法,即每個模塊直接根據自身周圍環境決定下一步運動[59]。此外還提出了基于能量激勵和能量抑制的規劃方法用于實現系統的構型重構。Collins針對SuperBot的協調運動和靈活控制,構建了總體控制框架以實現空間內大面積自重構[60]。隨后Moll研究了SuperBot的運動步態,提出一種計算質心位置的分布式重構規劃方法,運用自身步態作為運動指導以協同其他模塊的關聯信息,保持SuperBot在構型重構過程中的姿態穩定[61]。實現多模塊同時變換到目標構型以提高重構效率,Fitch利用Markov決策法實現智能模塊的重構規劃,即單個模塊根據相鄰模塊信息搜索到達目標區域最近的路徑[62]。這種動態規劃方法能夠使多模塊同時移動至目標位置且不發生碰撞,高效實現了構型重構。上述研究均基于典型的可重構航天器開展重構規劃研究,根據模塊結構特點給出了有效的運動規則和重構控制。

第二類重構規劃算法包含了圖論法、勢函數法及遺傳算法等,并運用動力學仿真平臺對規劃算法進行三維仿真,以驗證方法的可行性。張鑫針對可重構機器人的自修復過程,利用圖論表示全局的拓撲構型,并在模塊中存儲了邏輯簡單、運算量小的運動規則,為后續的運動規劃奠定了理論基礎[63]。費燕瓊利用當前構型與目標構型的位置差異作為勢函數,在運動范圍內對模塊進行逐步填充以實現模塊自重構規劃,并搭建三維平臺對自重構過程進行仿真[64]。吳秋軒利用構型重心與目標構型重心形成的空間矢量進行了智能模塊的重構規劃,并開發了基于Agent系統的仿真平臺,對模塊規劃進行了仿真[65]。此類方法能夠解決較少模塊的構型重構規劃問題,但用于復雜構型的規劃算法復雜度較高。另外當前著重于空間內無指向性約束的航天器重構規劃研究,但在實際工程中某些功能模塊會有特定的指向性需求,因此需要深入優化重構規劃算法。

4.3 一體化資源整合與分配技術

在模塊化航天器的重構規劃過程中,還需對多模塊系統進行全局整合與動態分配,以優化其資源配置。相對于傳統航天器固定的信息網絡連接、熱控流體回路布局和總體電源儲存與供給,可重構航天器的熱流、信息流、能量流、工質流等都需要全新的一體化設計,以適應不同構型下的信息與資源交互。

作為一體化資源整合與分配任務中的一類典型技術,航天器能源管理技術能夠在有限的能源供給條件下,優化負載管理,高效完成能源調度[66]。以航天器能源管理與信息傳輸系統為例,整個系統采用模塊化設計,圍繞太陽電池陣、電源控制單元、邏輯與控制單元、雙向變流器、一次母線等環節展開。特別是,邏輯與控制單元采用集中式控制,同時具備了較強的數據采集、運算與管理功能。系統中采用的關鍵技術包括:能源存儲技術、電源控制技術、信息處理技術、超導技術等。

可重構航天器的發展對能源系統的穩定性、帶載能力和傳輸效率等性能指標提出了更高要求[67]。為延長可重構航天器的在軌壽命,進一步提高運行效率以順利完成在軌任務,一體化資源整合與分配技術已成為亟待研究的關鍵技術。

4.4 變參數動力學分析技術

可重構航天器的典型動力學特征主要表現為構型重構引起質量特性隨時改變,使得系統動力學參數具有不確定性。建立變參數航天器的在軌動力學模型,分析任意工況下的變參數系統動力學特性已成為航天器構型重構技術發展的重要環節。

當前許多方法已用于變質量剛性系統的動力學分析。Cayley首次發現質量無窮小的粒子本身不會發生任何的速度突變[68],然而粒子間若存在一定聯系,則可能發生突變。Poisson對變質量系統進行動力學分析,得到了系統的d′Alembert形式[69]。該方法可直接列出不包含約束條件的動力學方程,簡化了分析過程。隨后,Eke研究了系統質量和幾何形狀等參數對變質量系統的動力學行為的影響,發現系統質量與運動頻率成負相關,而幾何形狀的影響較小[70]。Meshcherski首次提出了變質量系統中反作用力的概念,將Newton運動定律應用于系統動力學分析[71]。在此基礎上,Meirovitch利用Newton-Euler法和Hamilton原理等多種方法推導了變質量系統的動力學方程,并拓展至多自由度系統[72],Eke則采用了Kane法。Cveticanin推導了變質量平動系統的Lagrange方程,并求得了系統的整體位移響應[73]。但對轉動系統的研究還處于起步階段,且平動與轉動耦合會使系統的動力學行為復雜化。

面向多旋轉關節空間太陽能電站等變質量撓性連續系統,有限元法[74]、假設模態法[75]和伽遼金離散法[76]均可用于系統動力學分析,但更簡單有效的方法仍有待開發。綜上,表1對比了上述方法各自的優勢和不足,這為變參數動力學分析在構型重構技術中的發展提供了參考。

表1 變參數動力學分析方法的優勢和不足[69-76]

在構型重構技術體系中,標準化模塊航天器設計和構型重構規劃等技術日益成熟,將成為未來航天工程領域的研究熱點。然而,航天器系統的通訊能力、重構規劃與控制等方面還應繼續改進:

1)對于撓性模塊化航天器的研究較少,當前研究未考慮通信因素和復雜環境對構型重構穩定性和動態性能的影響。撓性振動難以直接測量,信息不全的模塊化航天器振動抑制需深入研究。此外,考慮執行器故障和控制性能優化的模塊化航天器姿態控制也將成為未來的研究方向。

2)應降低航天器各功能模塊間的通訊頻率。充分利用網絡資源。事件觸發機制能有效利用系統采樣信息,判斷測量值是否通過網絡傳輸。在采用該機制降低通訊頻率的同時,避免無限觸發(Zeno)現象對于模塊化航天器的發展具有重要意義。

3)細胞衛星的研發成本較低、體積較小,但由于自身質量和體積限制,其通訊能力和計算能力明顯弱于傳統衛星,復雜場景應用的可行性不足。在復雜任務中增大細胞衛星的數量會產生大量數據交互,這將增加未來模塊化航天器的應用難度。

5 構型重構技術應用前景

5.1支持航天器在軌故障排除

航天器在軌故障排除已成為當前的研究熱點之一。由于航天器系統自身的復雜性和空間環境的特殊性,各類運行故障問題時有發生。根據2021年公開的衛星故障典型案例[77],衛星剛發射后就出現了26次故障,與前五年相比次數明顯增多。這些故障包括能源系統故障(電路短路、太陽帆板無法蓄能);推進系統故障(飛輪故障、管路堵塞)和主載荷故障(通信衛星轉發器能力降低、敏感器污染)等[78]。若不能及時、準確地排除運行故障,航天器系統將遭受嚴重損失。

構型重構技術對于未來航天器的在軌故障排除具有重大意義[79],構型重構技術能夠克服目前機械臂操作空間有限的問題,快速排除系統表面和內部模塊的運行故障。然后對故障設備進行維修并回收失效設備,可進一步延長航天器的運行壽命。另一方面,基于模塊化理念對失效設備的失效機理進行研究,能夠改進制造工藝以提高結構可靠性,同時彌補空間壽命試驗數據不足的問題,進而減小故障發生的概率。

5.2 支持航天器功能更新

對于航天器系統中的高成本設備,如有效載荷和推進系統等,通過增減某些功能模塊并進行重新組合,以完成模塊化功能部件的更換,進而實現系統的功能更新。采用構型重構技術能有效增大航天器平臺的外掛面積,實現多載荷布局,因此理論上通過構型重構實現航天器的大規模功能更新是可行的,特別對于某些昂貴的大型航天器平臺,收效將更為顯著。

以上文論述的SuperBot為例,研究者們進一步更新了SuperBot的應用功能:1)微型移動檢測系統,可作為一種經濟有效的方法來檢測水資源或地震特征,也可用于化學元素勘探和導航信標;2)多用途月球探測器,能夠輔助宇航員的日常工作,在月球探測和開發中起到重要作用;3)生物環境維護與操作系統,具備了風化層的大規模挖掘能力,可用于處理某些危險任務,還能在短時間內為航天器提供大量補給,具備了較強的后勤保障能力。以上功能極大增強了航天器面向多類任務的靈活性和操作能力,為航天器功能更新提供了新的途徑。

5.3 實現天基平臺功能拓展

可重構天基平臺將成為未來重要的空間基礎設施,具有極高的戰略意義。可重構天基平臺具備了諸多優勢,如航天器模塊可通過在軌組裝拓展航天器空間尺度,解決火箭發射包絡限制等,能夠實現更豐富、更優越的平臺功能。

航天器的功能模塊可通過構型重構完成在軌服務,實現多模塊的功能復用和高效利用,充分發揮經濟效益。可重構天基平臺安裝了通用的結構對接模塊和電/信息管理模塊[80],能為有效載荷提供統一的供電、測控、軌道和姿態控制等服務,進一步拓展了平臺功能并縮短了模塊的研制周期[81]。基于主結構變構型技術,還可采用搭載發射和一箭多星的發射方式,極大降低了航天器的發射成本。

5.4 促進空間技術創新

基于可重構航天器系統的模塊化、細胞化技術牽引,實施構型重構技術的創新驅動戰略,可以促進航天工程領域的諸多技術創新,帶動中國空間技術的進步和產業發展[82-84],主要體現在:

1)航天器標準化模塊設計和即插即用技術的創新,以及航天器在軌組裝與維修技術的進步;

2)超柔性大功率空間可重構系統的創新和能源管理技術的進步;

3)大型分布式航天器的高精度、高穩定度姿態測量和重構控制技術的創新與進步;

4)分布式綜合電子技術的創新,以及空間光電交換、無線通信和光纖總線技術的進步;

5)大型多自由度空間機器人技術的發展;

6)空間多層次遙感(地月空間)技術的發展;

7)超大型可重構航天器地面驗證技術的發展。

6 結論

航天器構型重構技術的發展帶來了航天工程領域的技術革新。作為在軌服務等重大空間任務的關鍵技術,構型重構技術從根本上實現了航天器的多功能化。通過快速的在軌模塊組合和構型變換,航天器能夠完成變環境、多工況下的空間任務,兼具較強的魯棒性、自適應性和經濟性。

構型重構技術在航天工程中應用廣泛,結構與功能一體化變構型和主結構變構型技術又豐富了構型重構技術的發展方向。基于細胞化和模塊化設計的新型航天器已成功應用于在軌維護和星表探測等大型任務,極大推動了行業發展。特別地,主結構變構型技術能夠解決發射包絡對航天器平臺構型和布局的約束問題,為有效載荷提供最優的發射姿態和配置空間。隨著標準化模塊和即插即用技術的興起,主結構變構型技術在未來將實現航天器平臺的跨越式發展,具有更高的應用價值和經濟效益。

航天器構型重構技術更趨向綜合性和多元化發展。目前,標準化模塊設計和構型重構規劃等關鍵技術形成了構型重構技術體系,這同時與無線網絡通訊、信息交互、動力學仿真、能源管理等技術密切相關。因此,多種關鍵技術的協同進步對于航天器構型重構技術的未來發展至關重要。