1.2.1 在轨装配

在轨装配是指在太空中将部件组装起来构建成复杂空间结构，或将1个或多个空间结构分离后进行重新组合的服务任务，如电池阵、天线等的安装与展开，独立舱段的在轨对接，以及大规模空间结构的构建等。

1.任务分类

根据在轨装配任务对象的规模，可将在轨装配任务划分为5个层次^[4]。

（1）在轨制造

在轨制造指在太空中将原料制造成零部件。在地面制造航天器花费较大并耗时较多，且运输时火箭整流罩对航天器的尺寸会有限制，故为满足空间任务的需求以及大幅降低发射成本，在轨制造将是未来空间零部件生产制造的发展方向。2016年3月，美国“天鹅座”（Cygnus）飞船将太空制造公司研制的首台商用增材制造设备送入国际空间站（International Space Station，ISS），但其能够制造的零部件尺寸有限，且仅能用于国际空间站内部^[5]。

（2）模块组装

由于一些模块体积比运载工具所能提供的可用装载空间更大，因此可先将模块拆分成若干个子模块或零部件送入太空中，接着在太空中将这些子模块或零部件组装成1个完整的模块。2015年7月，美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）启动了大型结构系统太空装配项目，旨在实现大型模块化结构在太空中的自主装配、服务保障、翻新、重构以及再利用。

（3）整星组装

部分废弃卫星上携带了可长期使用且仍有使用价值的耐损性零部件，整星组装可将这些零部件与已发射模块等组装成1个新的完整航天器。目前仅有美国国防高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）的“凤凰”任务进行过将航天器的零部件与模块装配成整星的在轨飞行试验。“凤凰”任务设想将具有卫星某一分系统级或部件级的模块化细胞星发射至地球静止轨道，并利用空间机器人将其安装到废弃卫星的天线上，再将安装有细胞星的天线从废弃卫星上拆卸下来，这样就构成1颗新卫星^[6]。

（4）航天器功能扩展

部分航天器在服役过程中需要增加一些功能，因此可为其增加功能模块或舱段，使其成为1个新的组装航天器。日本工程试验卫星7号（Engineering Test Satellite-7，ETS-Ⅶ）的在轨服务验证任务就是1个典型案例，其模拟了多种在轨可更换单元（Orbital Replacement Unit，ORU）的更换过程，验证了利用机械臂完成桁架结构组装、试验天线装配等任务的相关技术。

（5）航天器组装

由于空间站、航天飞机等空间系统经常需要执行装配、补给、维修等任务，因此需要将航天器与这些被服务空间系统进行在轨对接，组装成1个临时的新航天器，以完成所需任务。欧洲自动货运飞船对国际空间站的成功补给是航天器在轨组装的典型应用案例^[7]。

2.任务流程

依靠航天器对空间中的小型零部件或大型结构等进行在轨组装操作是在轨装配的主要形式，其包括以下具体任务流程^[8]，如图1-6所示。

图1-6 在轨装配任务流程

（1）准备阶段

通过预先设定的轨道将航天器、机械臂或航天员运送至所要装配的对象附近，通过自主服务航天器完成场地清理、收集空间废弃材料等准备工作。

（2）装配阶段

搭建基础桁架，利用携带的物资进行桁架装配。该阶段由多个航天器协同完成，整个过程中航天器间的运行轨道不重合。

（3）返回阶段

装配操作完成后，航天器会进行相应的检查和测试，清理现场，并按照预定轨道返回。

3.关键技术

在轨装配需要多种技术（涉及控制、机械、材料等多种学科）的支持。在轨装配中起决定作用的技术主要有航天器模块化设计技术，空间机器人技术，空间目标识别、跟踪与测量技术，装配规划与在轨装配管理技术等。

（1）航天器模块化设计技术

航天器模块化设计是在轨装配操作能够进行的首要条件，其通过把航天器各子系统分解成若干个独立的功能模块，采用标准的机械、电、热及数据接口对各模块进行连接，实现航天器的整体功能，从而满足各种多任务航天器设计要求。因此模块化的航天器应该是一种更紧凑和轻量化的结构，其设计、制造和测试比常规航天器更快速，而且能重复使用^[9]。

进入21世纪以来，航天器模块化设计主要经历了模块化、自适应可重构系统设计，支持在轨展开的航天器结构模块化设计和支持在轨服务的航天器结构模块化设计3个阶段^[10]。

（2）空间机器人技术

在轨装配分为有人在轨装配和自主在轨装配2种，有人在轨装配只适用于环境安全、任务量小的在轨装配任务。利用可自主运行的空间机器人所实现的自主在轨装配，可以取代航天员完成一系列操作，包括抓持、组装等。随着空间机器人技术的发展，自主在轨装配已经成为在轨装配的主要方式，在太空建造项目中得到了广泛应用。

与有人在轨装配相比，空间机器人装配安全性高，成本低，因此受到了NASA和欧洲航天局（European Space Agency，ESA）的关注，现阶段用于在轨装配任务的空间机器人的主要支撑技术如表1-1所示。

表1-1 用于在轨装配任务的空间机器人的主要支撑技术

（3）空间目标识别、跟踪与测量技术

空间目标识别、跟踪与测量技术的主要作用是对装配对象进行类型或属性辨认。为保证自主在轨装配顺利进行，必须在一定范围内对装配对象进行精确探测、跟踪等，以获得装配对象准确全面的运行信息，进而对装配对象特性数据进行归类计算，使得服务航天器控制系统准确控制与调整自身轨道和姿态，实现对装配对象的在轨装配。

传统的空间目标识别、跟踪与测量技术是以微波雷达和光学望远镜为基础的，其缺陷表现在雷达和光学望远镜配合不紧密，进而影响对装配对象的探测识别效率。随后产生的激光探测技术克服了传统方法的不足，可获取空间目标的距离、速度信息，使得测量精度大大提升，测量范围大幅扩大。

（4）装配规划与在轨装配管理技术

装配规划主要是指在装配前预先拟定的在轨装配计划，以外界环境因素为约束条件，合理规划出任务完成所需的全部决策和行为序列。装配规划方法包括人工规划方式和计算机辅助规划方式，其中计算机辅助规划方式能避免人为误差且效率较高。

在轨装配管理技术是协调、管理和控制各子系统装配的综合控制器，其可大幅提高装配系统的可靠性、生存性和性价比。