“十三五” 国家重点出版物出版规划项目
国之重器出版工程 制造强国建设
空间机器人系列
空间机器人
总论
陈钢 梁常春 编著
人 民 邮 电 出 版 社
北 京
图书在版编目（CIP）数据
空间机器人总论 / 陈钢，梁常春编著.-- 北京：人民邮电出版社，2021.4
（国之重器出版工程. 空间机器人系列）
ISBN 978-7-115-55993-7
Ⅰ. ①空… Ⅱ. ①陈… ②梁… Ⅲ. ①空间机器人 Ⅳ. ①TP242.4
中国版本图书馆CIP数据核字（2021）第037855号
编 著 陈 钢 梁常春
责任编辑 刘盛平
责任印制 焦志炜
人民邮电出版社出版发行 北京市丰台区成寿寺路11号
邮编 100164 电子邮件 315@ptpress.com.cn
网址 https：//www.ptpress.com.cn
固安县铭成印刷有限公司印刷
开本：720×1000 1/16
印张：12.25 2021年4月第1版
字数：226千字 2021年4月河北第1次印刷
定价：99.80元
读者服务热线：（010）81055552 印装质量热线：（010）81055316
反盗版热线：（010）81055315
本书是基于作者多年来从事空间机器人技术研究工作的经验总结。全书共6章，首先介绍了空间探索发展历程及其所包含的空间探索任务种类与关键技术，阐述了空间机器人在空间探索任务中所扮演的重要角色，进而总结梳理了典型空间机器人系统及其发展现状，在此基础上对空间机器人的设计、规划与控制技术、测试等相关知识进行了重点介绍，最后结合现有研究和未来空间活动需求对空间机器人的应用前景作了相关展望。
本书既可作为高等学校相关专业高年级本科生以及研究生的教材，也可作为从事空间机器人技术研究及应用的研发人员及工程技术人员的参考书。
编辑委员会主任：苗 圩
编辑委员会副主任：刘利华 辛国斌
编辑委员会委员：
冯长辉 梁志峰 高东升 姜子琨 许科敏
陈 因 郑立新 马向晖 高云虎 金 鑫
李 巍 高延敏 何 琼 刁石京 谢少锋
闻 库 韩 夏 赵志国 谢远生 赵永红
韩占武 刘 多 尹丽波 赵 波 卢 山
徐惠彬 赵长禄 周 玉 姚 郁 张 炜
聂 宏 付梦印 季仲华
专家委员会委员（按姓氏笔画排列）：
于 全 中国工程院院士
王 越 中国科学院院士、中国工程院院士
王小谟 中国工程院院士
王少萍 “长江学者奖励计划”特聘教授
王建民 清华大学软件学院院长
王哲荣 中国工程院院士
尤肖虎 “长江学者奖励计划”特聘教授
邓玉林 国际宇航科学院院士
邓宗全 中国工程院院士
甘晓华 中国工程院院士
叶培建 人民科学家、中国科学院院士
朱英富 中国工程院院士
朵英贤 中国工程院院士
邬贺铨 中国工程院院士
刘大响 中国工程院院士
刘辛军 “长江学者奖励计划”特聘教授
刘怡昕 中国工程院院士
刘韵洁 中国工程院院士
孙逢春 中国工程院院士
苏东林 中国工程院院士
苏彦庆 “长江学者奖励计划”特聘教授
苏哲子 中国工程院院士
李寿平 国际宇航科学院院士
李伯虎 中国工程院院士
李应红 中国科学院院士
李春明 中国兵器工业集团首席专家
李莹辉 国际宇航科学院院士
李得天 国际宇航科学院院士
李新亚 国家制造强国建设战略咨询委员会委员、中国机械工业联合会副会长
杨绍卿 中国工程院院士
杨德森 中国工程院院士
吴伟仁 中国工程院院士
宋爱国 国家杰出青年科学基金获得者
张 彦 电气电子工程师学会会士、英国工程技术学会会士
张宏科 北京交通大学下一代互联网互联设备国家工程实验室主任
陆 军 中国工程院院士
陆建勋 中国工程院院士
陆燕荪 国家制造强国建设战略咨询委员会委员、原机械工业部副部长
陈 谋 国家杰出青年科学基金获得者
陈一坚 中国工程院院士
陈懋章 中国工程院院士
金东寒 中国工程院院士
周立伟 中国工程院院士
郑纬民 中国工程院院士
郑建华 中国科学院院士
屈贤明 国家制造强国建设战略咨询委员会委员、工业和信息化部智能制造专家咨询委员会副主任
项昌乐 中国工程院院士
赵沁平 中国工程院院士
郝 跃 中国科学院院士
柳百成 中国工程院院士
段海滨 “长江学者奖励计划”特聘教授
侯增广 国家杰出青年科学基金获得者
闻雪友 中国工程院院士
姜会林 中国工程院院士
徐德民 中国工程院院士
唐长红 中国工程院院士
黄 维 中国科学院院士
黄卫东 “长江学者奖励计划”特聘教授
黄先祥 中国工程院院士
康 锐 “长江学者奖励计划”特聘教授
董景辰 工业和信息化部智能制造专家咨询委员会委员
焦宗夏 “长江学者奖励计划”特聘教授
谭春林 航天系统开发总师
随着空间探索领域的不断深入，人类将目光从认识空间环境，逐渐转向开发和利用空间环境及资源。开展空间探索任务是开发和利用空间资源、探索人类新的活动领域以及探索宇宙起源的重要途径。空间机器人因自身具有高度智能性、自主性以及灵活机动性，被广泛应用于空间探索任务中，成为辅助甚至替代人类执行空间探索任务必不可少的智能装备。
空间机器人设计是其研制的起始阶段，其设计性能的优劣将影响后续的研发及应用，因此在设计阶段需将空间机器人应用要求转化为对空间机器人功能/性能的指标要求，以此指导空间机器人整体及子系统的详细设计与研制；为保障空间机器人安全顺利地执行各类空间探索任务，需研究其规划与控制技术；在空间机器人设计与研制完成之后，还需要研究空间机器人测试技术，开展空间机器人性能测试工作，这对于优化和改进空间机器人性能具有重要的意义。
针对上述应用需求，作者通过梳理空间探索的发展历程，归纳总结典型空间机器人系统及其相关特点，以及多年来空间机器人技术领域所取得的研究成果，系统阐述了空间机器人的设计、规划与控制等基础理论与关键技术。通过阅读本书，读者可对空间机器人的基本概念、发展历程以及技术有所了解。
全书共6章。第1章重点介绍了空间探索发展历程，并梳理了该历程所包含的典型任务种类及关键技术。第2章介绍了空间机器人基本概念及构成，并举例说明了现有的典型空间机器人系统，在此基础上总结常见空间机器人分类方式和应用特点。第3章系统阐述了空间机器人总体、关键部件/组件和控制系统的相关设计内容。第4章介绍了空间机器人运动学建模、动力学建模、规划与控制的相关方法，并深入阐述了空间机器人的环境感知、人机交互和容错控制技术。第5章介绍了典型的空间机器人地面验证系统、空间机器人系统功能/性能测试和环境适应性测试的相关内容，用于实现空间机器人的优化设计与研制。第6章通过对空间机器人应用所面临的挑战展开分析，总结了空间机器人发展趋势，并对未来的研究热点进行了展望。
受现有研究热点以及未来空间任务需求等因素的影响，空间机器人将拥有极为广阔的应用前景，但同时也面临着诸多应用挑战，因此对空间机器人的认知与研究仍在不断改进和完善之中，加之作者水平有限，书中难免有疏漏或不妥之处，敬请广大读者批评指正。
作者
2020年12月
空间探索是人类了解宇宙、探索生命起源和演化、开发和利用空 间资源、获取更多科学知识的重要手段，对促进科技进步和人类文明发展具有重要意义，因此空间探索任务越来越受到人们的关注。本章首先概述人类空间探索发展历程，随后分别针对在轨服务和深空探测2个领域，阐述其任务种类、任务流程及关键技术，并介绍这2个领域的典型应用案例。
1957年10月4日，苏联发射了世界上第一颗人造地球卫星——斯普特尼克1号（Sputnik-1），标志着人类进入太空时代。随后，美国、加拿大、日本、欧洲等国家和地区也迈出了空间探索的脚步，并在在轨服务与深空探测2个领域取得了一系列的成就，下面对这2个领域的发展历程进行简要介绍。
在轨服务的概念最早于20世纪60年代被提出，指在空间中通过航天员、机器人或两者协同完成的空间操作。其目的是提升在轨系统的任务执行能力、延长其寿命以及降低其研发和运行成本等。在轨服务在许多空间探索任务中得以应用，不同时期的在轨服务任务数量如图1-1所示。其中，航天飞机和载人航天飞行器的发展为2000年以前的在轨服务任务奠定了基础，这一时期的大部分在轨服务任务由美国开展，苏联/俄罗斯、欧洲、日本、加拿大等国家和地区仅开展了少量任务。到了21世纪，由于航天飞机技术的迅速发展以及轨道快车（Orbital Express，OE）试验项目的顺利实施，在轨服务任务数量较以前显著增加。随后，由于空间机器人技术的迅速发展，在轨服务任务数量在2010年后再一次增加。
图1-1 不同时期的在轨服务任务数量统计
在轨服务的实施主体与被服务对象通常均为航天器，包括服务航天器、客户航天器、大规模航天器以及其他航天器，如图1-2所示[1]。由图1-2所示可知，服务航天器占比为25.1%，其提供服务的主要设备之一是空间机械臂。客户航天器占比为6.5%，其一般具有模块化特点，进而方便对其进行在轨更换和维修。大规模航天器占比高达46.4%（由于火箭整流罩对航天器结构大小存在限制，故大规模航天器只能通过在轨装配制造），这也意味着在轨装配领域的发展较为迅速。其他航天器占比为22%，其主要包括一些为了特殊应用而设计制造的航天器。
美国、苏联/俄罗斯、日本、欧洲、加拿大以及中国等国家和地区均在持续推进在轨服务系统项目的研究，主要涉及碎片清理、在轨燃料加注与延寿、在轨装配和在轨维修与升级等方面。从现有的发展规划来看，世界在轨服务系统的发展还处于初级阶段，随着航天技术的不断发展，未来还将会实现更多类型的在轨服务，航天器也将向在轨可建造、在轨可扩展、在轨可重构的方向发展。因此，在轨服务技术是未来航天技术发展的一个重要方向。
图1-2 在轨服务中各类航天器占比统计
深空探测是人类对月球及月球以远的天体和空间进行的探测活动，其为探究太阳系及宇宙的起源与演化、太阳系生命的起源与演化、太阳及小天体活动对人类生存环境的影响等重大科学问题提供了强有力的理论基础。自1958年美国和苏联启动探月计划开始，各国开始竞相发射深空探测器，拉开了探索太阳系的序幕。60多年来，深空探测的发展可分为3个时期：竞争期、平静期和成熟期[2]。图1-3所示为不同时期的深空探测活动数量的统计数据[3]。
图1-3 不同时期的深空探测活动数量的统计数据
（1）竞争期（1960—1979年）
这一时期，苏联与美国为展示自己的能力争相开展深空探测任务。在这20年间，苏联和美国共进行了68次深空探测任务，虽然其中有34次失败了，但两国的空间科学探索技术得到了迅速发展，标志性的深空探测任务是美国的月球采样返回和载人登月任务。
（2）平静期（1980—1994年）
苏联/俄罗斯和美国在这段时间致力于分析和消化竞争期所获得的深空探测数据。此外，欧盟和日本在这一时期也开始发射自己的深空任务探测器，由于苏联/俄罗斯和美国在这段时间不再竞争，且欧盟和日本在深空探测领域仅处于初始阶段，因此在这一时期国际上仅发射了16次深空任务探测器。
（3）成熟期（1995—2019年）
这一时期以科学技术发展为主要驱动力，共发射了54次深空任务探测器。美国、欧洲和日本等在这一时期均已开始追求提升航天器服役能力及其寿命，从而实现了航天器更接近目标以及更长时间的探测。
迄今为止，已独立或合作开展深空探测活动的国家和组织主要有美国、苏联/俄罗斯、欧洲、日本、中国和印度。其中，美国是迄今为止唯一对太阳、太阳系七大行星以及小天体开展过探测的国家；苏联/俄罗斯发射了许多深空探测器，创造过多项“第一”的记录，但成功率却很低，且受政治因素的影响，其发展一度停滞，但近年逐渐恢复；欧洲自20世纪80年代开始进入深空探测领域，虽然只开展了少量任务，但大部分都取得了成功，因此其深空探测技术在较短时间内达到了较高水平；日本在太阳系小天体探测方面取得了巨大成功，但在行星探测方面却屡遭挫折；我国于2004年开始实施探月工程，并于2019年成功实现了月背登陆，2020年12月又完成了月球采样返回；印度于2013年成功实现了首次火星探测。以上各国和组织还合作开展了探测器的设计制造工作，从而促成多次探测任务的成功执行。图1-4所示为不同国家和组织的深空探索活动数量的统计数据[3]。
图1-4 不同国家和组织的深空探测活动数量的统计数据
目前，深空探测活动的对象已基本覆盖了太阳系的各种天体（包括太阳、月球、七大行星及其卫星、矮行星、小天体、彗星等），并且实现了飞越、绕轨、硬着陆（撞击）、软着陆、无人采样返回等不同方式的探测。进入21世纪以后，美国和欧洲逐渐开始了太阳系外的空间探测。图1-5所示为不同天体的深空探测活动数量的统计数据[3]。
图1-5 不同天体的深空探测活动数量的统计数据
从空间探索发展历程可以看出，在轨服务任务可以提升航天器的在轨服务能力并延长其寿命，而深空探测任务则可以带领人们见识更广阔的太空世界，这些任务得到了世界各国，尤其是航天大国的关注。此外，这些任务的成功离不开技术的发展，因此在轨服务与深空探测相关技术的发展对航天领域的发展具有重要的推动作用。
在轨服务既可以大幅提升航天器的寿命，维护其健康的工作状态，显著提升其空间活动能力，还可以大幅降低系统研发和运行成本，从而提高现有航天器的应用价值，并实现其可持续发展。世界各航天大国根据本国的发展需求，依托自身的技术优势，启动了多项在轨服务项目计划，开展了自主在轨服务系统的研发。在轨服务包括航天员与空间机器人在微重力轨道环境中执行的各类操作任务，根据操作任务的不同可将其分为在轨装配和在轨维护等，在轨装配可实现航天器组装及其功能扩展，而在轨维护可延长航天器的寿命。下面针对在轨装配、在轨维护以及其他任务进行分析研究，并梳理世界各国和地区开展的关于在轨服务的典型案例。
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。
在轨维护是指对空间系统提供检查、维修以及轨道清理等服务，其包括一切保障并延长航天器等空间系统寿命的活动。
1.任务分类
在轨维护任务涉及的种类较多，可分为在轨燃料加注、在轨维修以及在轨清理3类。
（1）在轨燃料加注
针对航天器携带的推进剂已经耗尽或航天器的推进剂携带量有限而限制其机动能力的情况，可采用在轨燃料加注的方式为航天器提供推进剂，以大幅延长航天器寿命，提升航天器执行任务能力[11]。OE试验项目验证了在轨燃料加注的可行性，自主空间运输机器人轨道器（Autonomous Space Transport Robotic Orbiter，ASTRO）从补给航天器中取出燃料，并将其运送到下一代服务卫星（NEXT Generation Serviceable Satellite，NEXTSat）附近，然后由ASTRO上的机械臂捕获NEXTSat，最终通过流体管路实现从ASTRO到NEXTSat的燃料补给[12]。
（2）在轨维修
服务航天器在航天员或空间机器人的帮助下，能够为目标航天器进行更换零部件等维修操作。哈勃太空望远镜的在轨维修任务实现了零部件的在轨更换以及设备的在轨更新。2009年5月，“亚特兰蒂斯号”航天飞机靠近哈勃太空望远镜，随后航天飞机成功对其实现捕获，航天员对哈勃太空望远镜进行了最后一次维护，为其更换了大量设备和辅助仪器，最终哈勃太空望远镜被重新释放进入轨道。
（3）在轨清理
服务航天器通过使用网状捕获机构和系绳抓取机构等专用设备可清除空间垃圾，如轨道碎片、故障卫星等。在轨清理主要用于清理航天器轨道上的障碍物，以及将故障卫星移动到“墓地”轨道。德国宇航中心（Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt，DLR）的轨道服务任务利用机械臂实现了与废弃航天器的对接，并将其拖入“墓地”轨道，完成了废弃航天器的清理。
2.任务流程
在轨维护包括多种服务功能，但除了服务操作不同外，其任务流程基本相同，均包含发现与观测目标、逼近目标、抓取目标并形成组合体、维护操作、航天器组合体分离等过程，且都需要借助航天员或空间机器人的辅助。在轨维护的任务流程如图1-7所示。
图1-7 在轨维护的任务流程
（1）发现与观测目标
服务航天器在这一阶段需要获取目标航天器的位置、姿态和速度等运动信息，识别目标航天器的惯性参数等物理特性，确定抓住目标航天器的时间与地点，并规划接近目标航天器的运动轨迹。
（2）逼近目标
服务航天器、机械臂、航天员等沿着一定的轨道平台，如预定好的轨道，自主接近目标航天器。
（3）抓取目标并形成组合体
在不破坏服务航天器姿态稳定的情况下利用机械臂抓取目标物。一旦成功抓取目标物，服务航天器和目标航天器的组合系统必须尽快稳定，以避免损坏，在轨捕获也采用类似技术。
（4）维护操作
在航天员和机器人的辅助下，服务航天器完成各服务任务，如对目标航天器的在轨燃料加注、在轨维修或在轨清理。
（5）航天器组合体分离
服务操作完成后，服务航天器与目标航天器分离，并按照事先计划好的流程返回原轨道等待下一次服务操作。
3.关键技术
在轨服务技术是需求牵引和技术推动相结合的产物，在过去几十年里，国内外在在轨维护领域取得了丰硕的成果，重点围绕以下关键技术展开研究。
（1）通用技术
通用技术指在在轨燃料加注、在轨维修、在轨清理任务中均需涉及的技术，其主要包括空间机器人技术，空间目标识别、跟踪与测量技术以及轨道机动技术。
① 空间机器人技术
在轨维护的很多任务都需要有空间机器人参与，如在轨燃料加注、在轨模块更换等。空间机器人的基本运动部件是一体化关节，其集传动机构、驱动器、传感器、控制器和电源为一体，一体化关节的高度集成化能满足空间应用的要求。针对在轨维护任务，空间机器人除了需要具备表1-1所示的技术外，还要额外具备表1-2所示的几种技术。
表1-2 用于在轨维护任务的空间机器人相关技术
② 空间目标识别、跟踪与测量技术
能够识别、跟踪与测量目标航天器是服务航天器能够成功执行在轨维护任务的前提之一。在一定距离内，服务航天器需要通过雷达、测距仪、相机等多种仪器获得目标的位姿、速度等信息[14]。
③ 轨道机动技术
轨道机动技术主要指服务航天器逼近目标航天器并运动到目标航天器所在轨道的技术。服务航天器的轨道机动涉及轨道机动规划技术、轨道机动动力学技术、导航与控制技术以及大推力、高比冲推进技术[14]。
（2）专有技术
专有技术指只可用于在轨维护中某一种任务的技术，包括在轨燃料加注技术、在轨维修技术和在轨清理技术。
① 在轨燃料加注技术
推进剂的在轨加注是延长航天器寿命和降低成本的关键技术。在轨燃料加注任务目前已被验证可通过空间机器人实现，NASA的戈达德太空飞行中心（Goddard Space Flight Center，GSFC）为国际空间站上的灵巧专用机械手设计了1个模块和工具包以完成空间机器人燃料加注任务，从而延长航天器寿命，因此研究空间机器人在轨燃料加注技术十分有必要[12]。
② 在轨维修技术
利用在轨维修技术对航天器上的故障模块进行更换，对关键部件进行在轨升级，能够延长航天器的寿命，扩展航天器的性能。在在轨维修任务中，空间机器人也发挥着重要的作用，自OE试验项目中演示了空间机器人更换ORU的任务后，各国开始越来越频繁地将空间机器人用于执行在轨维修任务，因此研究空间机器人在轨维修技术也十分必要。
③ 在轨清理技术
太空中的碎片可能会与航天器相碰，甚至有可能因为碰撞产生连锁反应而使轨道变成废弃轨道，因此需要开发在轨清理技术。根据轨道高低、碎片大小等因素，可将在轨清理技术分为3种：激光降轨技术、机器人清理技术和电动力系绳清理技术[15]。其中机器人清理技术适用于失效的较大碎片，如故障航天器等，空间机器人可对故障航天器进行抓捕并将其送至“墓地”轨道。
空间在轨服务任务范围非常广泛，除了在轨装配和在轨维护外，还有在轨捕获和在轨发射等。
1.在轨捕获
在轨捕获是指在有人或无人的情况下对空间目标实施抓捕的服务任务[16]。国内外航天器的在轨捕获方式主要有3种：利用伸缩杆捕获目标航天器的发动机喷管；利用机械臂捕获目标航天器的特定结构；利用飞网或飞爪捕获目标航天器[17]等。
（1）伸缩杆捕获
美国轨道复活公司和英国轨道复活公司共同研制了一种名为锥型车-轨道延寿飞行器，该飞行器充分利用了目标航天器的远地点发动机喷管和星箭对接环的结构特点，采用通用型对接捕获机构实现了对目标航天器的在轨捕获[18]。以该飞行器为例，其伸缩杆捕获对接机构由2部分组成：一部分是捕获机构，在捕获飞行器沿目标航天器发动机喷嘴轴线方向足够靠近目标时，将可膨胀捕获装置送入目标航天器的发动机喷嘴内部，随后，可膨胀捕获装置展开并实现与目标航天器的连接；另一部分是3套独立的星箭对接环锁紧机构，当捕获机构将2个航天器距离缩小到锁紧机构的作业距离范围之内时，锁紧机构打开，并捕获目标航天器的星箭对接环，从而实现2个航天器之间的对接，对接捕获机构如图1-8所示[19]。
图1-8 伸缩杆捕获机构
（2）机械臂捕获
试验服务卫星（Experimental Servicing Satellite，ESS）是ESA开展的1个地球静止轨道卫星在轨服务系统研究项目[20]。ESS利用机械臂对失效的电视卫星-1进行了在轨捕获与修复，其任务流程如下：服务航天器接近电视卫星-1直到进入其可捕获范围，移动机械臂跟踪并插入远地点发动机喷管，捕获目标后通过对接机构与电视卫星-1对接，机械臂可从喷管中抽出，更换机械臂末端的工具，从而展开电视卫星-1的太阳翼并拉伸被卡住的天线，如图1-9所示。
图1-9 ESS中的机械臂捕获方案
（3）飞网或飞爪捕获
飞网机构可捕获地球同步轨道上存在的一些故障航天器或较大的空间碎片，并将其送至目的轨道；飞爪机构可捕获一些发射时未进入正常轨道的地球同步卫星，并将其送至预定轨道，如图1-10所示[21]。
图1-10 飞网和飞爪捕获机构
各在轨捕获方式的技术特点如表1-3所示[19]。
表1-3 各在轨捕获方式的技术特点
从表1-3所示可以看出，利用机械臂执行在轨捕获任务的方式，捕获通用性和误差冗余能力较好，是目前最常用的在轨捕获方式，该方法的主要优点如下：其支持捕获多种目标航天器，目标航天器既可以是正常卫星，也可以是已经出现故障、不可维持正确姿态的卫星；其对目标航天器的适应能力强，不要求目标航天器具有特定的接口，可根据目标航天器的结构灵活确定对接位置；相对位姿的测量和控制误差冗余能力强，安全性高；机械臂还具有大容差的特点，容许机械臂末端与对接机构间存在一定的位姿误差。机械臂在轨捕获是未来在轨捕获发展的一大热门方向，因此研究空间机器人在轨捕获技术极为重要。
2.在轨发射
在轨发射是一种非常规发射方式，多个航天器一同搭乘运载火箭进入轨道，与运载火箭分离后，其中一个航天器在适当的时机再次释放，使其进入轨道[22]。这种发射方式的优势是成本较低，并且可以选择发射时间，在需要的时候将某些航天器送入轨道。
按发射动力的不同，在轨发射可以分为自推力发射、弹射发射和其他发射方式[23]。
（1）自推力发射
自推力发射的原理是航天器启动自身的发动机后，从发动机喷出的高温燃气产生的推力使航天器与本体空间平台分离。该方式的优点是结构简单且反应迅速，缺点是会对本体空间平台产生扰动，影响平台的稳定性，且所产生的燃气会污染平台上的设备。
（2）弹射发射
弹射发射主要有火工弹射、压缩气体弹射、弹簧弹射和电磁弹射4种。火工弹射通过点燃内部装药产生一定压力的燃气，进而推动航天器向前运动，实现航天器与本体空间平台的分离[24-25]；压缩气体弹射通过内部的压缩气体实现分离动作；弹簧弹射采用记忆合金作为分离释放机构执行元件，利用其相变产生的形变恢复力和行程对外做功，实现航天器与本体空间平台的分离；电磁弹射也称电磁炮弹射，其必要的组成部分有能源、加速器和开关系统，其利用电磁的能量来推动被弹射的物体向外运动。
（3）其他发射方式
① 系绳发射
被发射航天器通过系绳连接在空间平台上，在发射时，需要先展开系绳，通过控制系绳使得航天器的轨道、姿态达到释放要求，然后松开或者切断系绳，将航天器发射出去。系绳展开、摆动和切断的过程中存在复杂的动力学、稳定性和控制相关的问题。
② 自旋分离
在某一时刻断开航天器与本体空间平台的连接，通过航天器自旋产生的离心力将航天器发射出去。这种方法简单、可靠，适用于具有一定自旋能力的航天器[26]。
③ 机械臂释放
机械臂末端执行器可与被发射航天器的接口对接，在达到释放要求时，机械臂末端执行器松开，可将航天器发射出去。机械臂释放航天器动作迅速，时间精度高，定位、定姿精度高，对平台不会产生冲击性扰动[27]。
从上世纪开始，美国、俄罗斯、欧洲等国家和地区开展了大量在轨服务任务，本节将围绕其典型案例进行具体介绍。
1.哈勃太空望远镜相关服务任务
哈勃太空望远镜（见图1-11）于1990年4月24日由“发现号”航天飞机成功送入预定轨道[28]。哈勃太空望远镜的主要任务是探测宇宙深空，揭开宇宙起源之谜，了解太阳系、银河系和其他星系的演变过程。从1993年到2009年，哈勃太空望远镜在成功部署后共接受了5次在轨服务，详细维修操作如表1-4所示。
表1-4 哈勃太空望远镜详细维修操作（1993—2009）
续表
哈勃太空望远镜接受的在轨服务均是基于航天员辅助完成的，这种形式的在轨服务成本较高、安全性低，因此NASA于2015年推出了哈勃机器人维修车，其为哈勃太空望远镜的生命末期提供服务，如图1-12所示。哈勃机器人维修车包括2个主要模块：弹出模块和离轨模块。弹出模块可以使用机械臂等对哈勃太空望远镜进行维修，离轨模块可以使用推进系统帮助哈勃太空望远镜脱离轨道。
图1-11 哈勃太空望远镜
图1-12 哈勃机器人维修车
2.轨道通用修正航天器
轨道通用修正航天器（Spacecraft for the Universal Modification of Orbits，SUMO）由美国海军研究实验室开发，其设计宗旨是为多种没有辅助设备（如抓斗装置和反光板等）的目标航天器提供服务，如燃料补给、零部件技术更新、卫星修理等[29]。SUMO是模块化航天器，其配备了1个有效载荷模块，其中包括3个通用机械臂、1个计算机视觉传感器系统和3个工具箱，每个工具箱中都有1个可以用于完成不同操作的末端执行器，如图1-13所示。
图1-13 轨道通用修正航天器
SUMO服务任务的典型过程包括4个步骤：对目标航天器的轨道机动、监视；靠近目标航天器；与目标航天器的自主对接和捕获；为目标航天器实施最终服务。
3.地球同步服务车
地球同步服务车（Geostationary Service Vehicle，GSV）于1996年由ESA提出，旨在为地球静止卫星提供在轨服务，包括对目标航天器进行检查、通过机械辅助进行部署操作（如太阳能电池组的部署）以及将不受控制的目标航天器转移到“墓地”轨道上等[30]。GSV顶面配备了2个机械臂（见图1-14），以及用于会合的传感器，此外还携带了一系列的工具，如对接定位工具、关闭检测装置、两指夹持器等，以保证操作的顺利进行。
图1-14 GSV为目标航天器服务
为了验证GSV及其专用机械臂的设计合理性，ESA进行了一系列地面试验，其中包括1项对Anik-E2卫星C波段天线反射镜进行故障检测与修复的试验。在该试验期间，GSV演示了典型的在轨交会过程，通过机械臂捕获Anik-E2的主电机喷嘴，随后对部分展开的C波段天线反射镜进行了基本的检测和修复操作，在确认卫星正常后将其释放。
4.ETS-Ⅶ试验
ETS-Ⅶ（见图1-15）是世界上第一颗配备机械臂的卫星，由日本宇宙事业开发集团（National Space Development Agency of Japan，NASDA）提出，并于1997年11月28日成功发射，旨在完成交会对接、空间机器人技术试验[31]。ETS-Ⅶ包括1颗追踪卫星（Hikoboshi）和1颗目标卫星（Orihime）。在追踪卫星的另一侧有1个专用的交会对接试验系统，以验证与目标卫星自主交会对接的性能[32]。
图1-15 ETS-Ⅶ
ETS-Ⅶ的交会对接试验包含以下步骤：追踪卫星接近目标卫星到达逼近点；追踪卫星接近对接机构的捕获区；追踪卫星通过对接机构捕获目标卫星并与之对接[33]。
5.OE试验项目
OE试验项目由DARPA于1999年11月提出，旨在构建1个在轨卫星服务基础平台，以验证空间机器人在轨维修航天器的技术可行性以及演示在轨补给、在轨捕获等任务[34]。OE试验项目中的航天器由ASTRO和NEXTSat 2颗卫星组成，如图1-16所示。ASTRO配备有空间机械臂，可用于更换消耗性元件。NEXTSat在OE试验项目中作为次要服务卫星被开发，可为ASTRO提供燃料和ORU。
图1-16 OE试验项目中的航天器
OE试验项目进行了一系列在轨服务测试，包括自主对接和捕获、燃料补给、零件补给、不同模式对接等。在OE试验项目实施过程中，ASTRO先向NEXTSat的方向机动，并逐渐接近直至与NEXTSat自主会合，随后NEXTSat被ASTRO上的机械臂捕获，如图1-17所示。最后，2颗卫星通过分离连接机构连接，从而实现燃料补给和ORU更换。
图1-17 ASTRO上的机械臂完成了OE试验项目中2颗卫星间的自主捕获
6.空间系统演示验证技术卫星
空间系统演示验证技术卫星（Technology Satellite for the Demonstration and Verification of Space Systems，TECSAS）于2004年年初，由DLR、欧洲航空防务航天公司（European Aeronautic Defense and Space Company，EADS）、巴巴金航天中心（Babakin Space Center）联合开发，旨在研究和论证在轨服务过程中的相关技术，如逼近和交会、观测绕飞、编队飞行、软捕获轨道脱离等[35]。TECSAS开发了1套在轨服务验证系统，包括1个追踪航天器和1个目标航天器，如图1-18所示。
图1-18 TECSAS的2个航天器
为实现任务目标，追踪航天器配备的主要有效载荷包括1条机械臂和1套捕获系统。在空间系统演示验证技术卫星的在轨服务验证系统工作流程包括追踪航天器与目标航天器远场会合、近距离机动、飞越检查、2个航天器编队飞行、追踪航天器最终捕获目标航天器、追踪航天器对航天器组合体的姿态和轨道机动进行控制，以及地面中心主动控制在轨远程操作。
7.国际空间站
国际空间站于2010年全面建成并投入使用，NASA、ESA、俄罗斯联邦航天局（Russian Federal Space Agency，RKA）、日本宇宙航空研究开发机构（Japan Aerospace Exploration Agency，JAXA）、加拿大国家航天局（Canadian Space Agency，CSA）和巴西航天局（Agência Espacial Brasileira，AEB）相互合作共同推动了国际空间站的建成。国际空间站可以支持航天员长期在轨驻留，并可用于在空间环境下进行各类研究和实验[36]。
国际空间站由桁架、居住舱、实验舱、节点舱、电力系统和太阳能电池阵列以及机械臂维修系统等部分组成，如图1-19所示。国际空间站上的机械臂维修系统称为移动服务系统，其空间部分包括移动服务中心、移动远程服务系统维修站、专用灵巧操作臂等，如图1-20所示。移动服务系统的主要任务是对空间站进行检修和维护[37]，如空间站的组装、外部维修、有效载荷运输、自由飞行物的抓取和释放等。
图1-19 国际空间站
图1-20 移动服务系统
目前，在国际空间站平台上已经开展了多种在轨服务任务，包括维护国际空间站和为其他航天器提供服务。此外，国际空间站还负责在轨装配、对接和捕获目标、在轨加注、更换元件、修理太阳能电池阵列等操作。上述操作是通过航天员的舱外作业、机器人遥控操作以及航天员和机器人的协调操作来实现的。
8.复原-L任务
复原-L任务于2014年由NASA和加拿大劳拉空间系统公司（Space Systems Loral，SSL）联合提出，旨在开发一种能够为航天器提供在轨服务的机器人维修车[38]，如图1-21所示。
图1-21 机器人维修车
机器人维修车的服务对象主要是地球静止轨道航天器，其配备了一对灵巧机械臂以及多个末端工具，以便进行在轨燃料加注中的精细操作。机器人维修车可实现与目标航天器自主交会、对接，并使用其自身携带的机械臂为目标航天器加注燃料，且可为在空间中不能打开燃料箱的航天器补给燃料。
9.“天宫”系列目标飞行器与“神舟”系列飞船的交会对接试验
“天宫一号”目标飞行器于2011年9月在酒泉卫星发射中心发射，旨在与“神舟八号”飞船进行交会对接试验，如图1-22所示。“天宫一号”目标飞行器采用实验舱和资源舱双舱构型，具备交会对接、组合体管理、接纳航天员访问和开展空间科学实验等功能[39]。
图1-22 “神舟八号”飞船（左）与“天宫一号”目标飞行器（右）对接
“天宫一号”目标飞行器和“神舟八号”飞船的交会对接试验流程如下：“天宫一号”目标飞行器发射进入近圆轨道，并对各设备进行部署测试；“神舟八号”飞船发射，进入自主控制段起始点；飞船实现与目标飞行器对接机构接触；对接环接触，飞船与目标飞行器形成刚性连接；两飞行器对接后，飞船转入停靠模式，由“天宫一号”目标飞行器负责组合体控制与管理；“神舟八号”飞船和“天宫一号”目标飞行器分离，“天宫一号”目标飞行器轨道抬高，等待与后续的“神舟九号”飞船对接。“天宫一号”目标飞行器和“神舟八号”飞船的成功对接验证了其工程总体方案和各系统方案的正确性，标志着我国自主交会对接技术取得了重大突破。
2016年9月15日，“天宫二号”目标飞行器发射，同年10月19日，“神舟十一号”飞船与“天宫二号”目标飞行器自主交会对接成功，航天员从“神州十一号”飞船进入“天宫二号”目标飞行器，标志着我国已基本掌握了空间飞行器交会对接技术[40]。
10.中国空间站
中国空间站预计在2022年前后建成，目标是在低轨道建设1个常驻的60～180 t级的大型空间站，为开展长期、持续的载人航天和空间科学研究与实验等活动提供平台。空间站由核心舱（天和舱）实验舱I（问天舱）和实验舱Ⅱ（梦天舱）构成，在其建成后，“神舟”系列飞船和“天舟”系列飞船分别作为载人飞船和货运飞船与其对接，为空间站补充人员与货物，如图1-23所示。
图1-23 中国空间站效果
为满足空间站建造、维修及维护的需求，中国空间站配置了2条机械臂，分别为核心舱机械臂和实验舱机械臂。2条机械臂既可独立工作，也可协同组合成1条大型机械臂，扩大作业范围。机械臂具备完成舱段捕获、转移，设备安装、维修、更换及舱外状态监视等任务的能力。此外，机械臂还配置有专门用于舱段转位的转位机构[41]。
从上述在轨服务任务典型案例可以看出，通过在轨服务可以完成大型空间系统装配、故障航天器检测和维修、航天器功能升级扩展、轨道垃圾清除等任务，在延长航天器工作寿命的同时，还可节约成本。但目前在轨服务任务仍处于初级阶段，且受到相关技术的限制，部分任务仍处于计划阶段，因此还需长期重点关注在轨服务技术，使空间系统的使用价值最大化。
深空探测任务的目的是探索未知空间领域，以深空探测航天器为载体，完成一系列操作任务，如样品采集和星表基地建设。样品采集任务可对星球土壤、岩石等进行实地分析，或将其带回地球，以帮助人类深入了解星球资源信息；星表基地建设则可在星球表面建设基地，容纳航天员长期居住，以进行一系列的实验研究等。以下将针对上述2种任务进行分析研究，并对世界各国和地区开展的深空探测典型案例进行梳理。
为更深入地了解宇宙演化历史，世界各国及地区已多次开展了星球土壤和岩石采样、样品分析以及样品返回任务。
1.任务分类
迄今为止，已成功完成的采样任务大部分依靠携带的机械臂自动采样机构完成，根据样品特点和采样地点可将自动采样任务分为以下几种[42]。
（1）星球浅表层土壤及小型岩石采样
星球浅表层土壤及小型岩石采样指对星球表面浅浅覆盖的一层土壤以及暴露在星表的小型岩石进行采集。该任务通常使用安装于机械臂末端的挖取式自动采样机构。该机构利用类似铲型的采样装置以挖掘的方式获取样品，铲型采样装置通常可以进行重复采样动作。“凤凰号”探测器使用该类型装置实现了火星表面红土的挖掘，并发现了火星表面冰冻水的存在。
（2）星表岩石内部采样
星表岩石内部采样指对岩石表面进行研磨，去除岩石表层风化、辐射和氧化层，从而采集岩石内部的样品。该种采样方式不具有样品收集和保存的能力，无法将样品带回地球，只能对样品进行在线分析。这类任务通常使用研磨式自动采样机构。2003年，“勇气号”（Spirit）、“机遇号”（Opportunity）火星探测器携带了岩石研磨装置，其可使岩石内部未受空间环境辐射的岩心裸露出来，随后探测器上机械臂末端携带的科学探测仪器就在位于裸露出来的岩心处，进行样品在线分析。
（3）星表以下采样
星表以下采样指为了获取更加丰富且有效的星体信息，需要采集原始的、没有被破坏的星表以下样品。钻取式自动采样机构适用于该类情况，是目前应用最为广泛的一种采样机构，其采样深度可从几厘米到几米。1976年，苏联“月球-24”探测器上携带的钻取式自动采样机构，其采样深度可达1.6 m，在服役期间成功采集了171 g月球土壤[43]。
2.任务流程
样品采集过程不仅需要采样机构适应空间的特殊环境和工作要求，还要保证采样机构按规划的工作时序和动作流程可靠运行，最终实现对样品的实时分析或将样品带回地球[44]。样品采集任务流程大致有4个阶段，其任务流程如图1-24所示。
图1-24 样品采集任务流程
（1）采样系统各模块自检
在确定采样地点后，探测器给采样系统上电，正式进入采样系统工作时间。首先，采样系统开始自检，检测传感器、开关等器件状态是否正常。如果检查一切正常，各模块依次开始试运行，一切无误后，整机开始试运行，就可以判断探测器采样系统是否能正常运行。
（2）机械臂向下运动直至接触星表
机械臂开始空行程向下运动，并确认机械臂末端的采样机构是否已经接触到星表，若接触到，则执行结束指令。
（3）采样
机械臂通过其末端携带的自动采样机构实现对样品的采集或就地分析。这一阶段的具体动作由采样机构决定。铲探和钻探分别利用机械臂末端的铲型结构和钻头获取样品，而研磨式采样机构则是研磨岩石表层获取岩心样品，随后探测器携带的科学仪器就在岩心处，对样品进行实时分析。
（4）样品转运与封装
机械臂将样品运送至特殊的保存装置，采样系统通过特殊的封装方式将样品保存起来。为保证样品数据的可靠性，保存装置需要具有高强度、高密封性等特点，以方便研究人员安全提取内部物质。
3.关键技术
半个世纪以来，世界各国与地区对月球、火星、小天体等实现了采样探测。在这些采样活动中，除了“阿波罗号”飞船采用人工采样方式外，其余均采用自动采样方式[42]。自动采样任务的完成涉及机械臂、样品密封以及关键采样设备技术，以下对其进行一一介绍。
（1）机械臂技术
机械臂除了能完成仪器放置、定位、操作和撤离等动作外，还可通过操作其末端采样机构执行样品挖掘、转运等操作，完成样品采集与分析等科学目标。
为实现星球土壤或岩石采集，探测器所携带的机械臂同样需具备表1-1和表1-2所示的技术。此外，针对不同的任务以及不同的星表环境，机械臂需具备防尘、耐高温的能力；要完成科学勘察任务，通常要求机械臂具备展开/折叠、放置仪器，以及定位、挖掘、采样、搬运、自修复等作业功能[45]。
（2）样品密封技术
20世纪六七十年代美国和苏联实施了多次月球采样返回任务，但是样品的密封容器返回地面后均出现了不同程度的泄漏，使得月球样品受到大气污染，影响了研究工作，因此密封技术是解决样品安全返回问题的关键技术。
迄今为止，在样品采集任务中应用过的密封方式有橡胶材料密封、刀口挤压铟银合金密封、爆炸焊接密封。“阿波罗号”飞船采样返回任务中曾多次使用氟橡胶（氟硅橡胶）作为样品容器的最外层密封材料；刀口挤压铟银合金密封应用于深冷和高真空环境，“阿波罗号”飞船采样返回任务中使用的样本存放容器均采用这种密封方式；爆炸焊接密封方式在火星样品返回任务中得到了应用[46]。
（3）关键采样设备相关技术
① 挖取式自动采样设备
挖取式自动采样设备主要由铲体、盖子、螺线管振荡器、筛网、反向铲、驱动电机等部分组成，如图1-25所示。为降低挖的阻力，在机械臂向后拖动时，反向铲可以将坚实的火星土壤翻松，以便铲体能以较小的铲入力完成采样[47]。
图1-25 挖取式自动采样设备
② 研磨式自动采样设备
研磨式自动采样设备末端配备岩石研磨工具，如图1-26所示。研磨工具通过高速旋转的方式研磨坚硬的岩石，旋转刷和转动刷可及时将研磨产生的岩石屑从工作区域清除[48]。
图1-26 研磨式自动采样设备
③ 钻取式自动采样设备
钻取式自动采样设备包括钻进机构、钻进加载机构、样品提取机构等。钻进机构和钻进加载机构可分别驱动钻具做回转运动和向星球土壤内钻进，样品提取机构则可将采集到的样品提取出来，完成样品采集[49]。美国“好奇号”火星探测器上搭载了1套臂载回转冲击式钻取采样器，可以实现火星表面多点沙土和岩石样品的采集，如图1-27所示。
图1-27 钻取式自动采样设备
星表基地建设是长期执行深空探测任务的必要途径，以方便航天员进行科学实验和利用探测器执行空间环境探测、星表科学探测任务[50]。目前已有多个国家及地区对星表基地建设展开研究，但受到资金和技术的困扰，星表基地建设一直滞后于其计划进度。
1.任务流程
星表基地建设任务包括前期论证准备阶段、基地建设实施阶段和基地运营维护阶段[51]。
（1）前期论证准备阶段
星表基地建设的前期论证准备工作包括选址论证和选址勘探。选址论证需要基于能源、场地等约束，选择最适合星表基地建设的地址，以便于后续任务拓展。选址勘探是在确定基地建设地址后，通过发射在轨探测器、星表巡视探测器或星表穿透器对所选地点进行深入探测。在轨探测器可以对星表的光照条件、星表温度等进行测试；星表巡视探测器可以对选址地点的承载能力、工程施工条件进行评估；星表穿透器可以对星表永久阴影区进行探测。此外，还可联合在轨探测器和星表巡视探测器对该地区是否具有水、冰等资源进行检测。
（2）基地建设实施阶段
星表基地建设实施阶段为星表基地建设的主要阶段，在此期间需要对空间环境等进行科学探测。在选定基地建设地址后，需要完成着陆场和科学探测站建设，以保证当后续设备发射到着陆场后能直接开展部署和建设工作。星表基地建设离不开能源站、对地通信站、航天员保障物资、载人科研站、物资存储设备以及后续保障航天员安全返回的上升器等的投送，星表基地建设的基本需求以及航天员的生活保障等均由物资投送保证。在星表基地建设到一定阶段后，会出现机器人无法胜任的工作，此时需将航天员送上星球表面，完成一些星表机器人无法单独完成的复杂任务，如星表小型生产实验室建设、星表大型生产基地建设以及星表永久阴影区低温实验系统建设等。
（3）基地运营维护阶段
在星表基地已建成的情况下，航天员可在星表基地长期驻留，并开展各类实验以及科学研究，包括星表水冰开采、生物培养等[51]。在这一阶段，仍需不断地向基地投送物资，以保障航天员的生活与工作。
2.关键技术
星表基地建设是一个庞大的航天基础设施建设项目，建设周期长，涉及多种技术，如星表建设机器人技术、星表设备部署与展开技术、星表物资保障技术、废弃物资综合利用技术等。
（1）星表建设机器人技术
由于机器人具有简单方便、风险小，且不用进行长时间训练等优点，因此采用机器人进行星表基地建设可以节约成本并提高安全性。
星表建设机器人包括星表探测机器人和星表工作机器人。星表探测机器人主要负责对星表选址进行论证与勘探，而星表工作机器人主要负责设备的运输和部署，以及工程施工等基地建设工作，星表工作机器人类型及其作用如表1-5所示[52]。
表1-5 星表工作机器人类型及其作用
（2）星表设备部署与展开技术
星表基地有很多探测站，为实现这些探测站间信息流、能源流、物资流互通，需要综合考虑基地设备部署方案。在此基础上，需将设备从着陆器上卸下，并运至预定部署地点，再完成其展开工作。该过程涉及设备装卸、运输、组装、展开等多个步骤。
（3）星表物资保障技术
星表基地建设开始后，需要从地球不断运输物资至星表，物资补给是基地正常运作的重要保障。优化物资补给和运输方案是节省星表基地建设费用以及提高建设效率的关键技术之一，因此星表物资保障技术是星表基地建设技术的重要组成部分。
（4）废弃物资综合利用技术
为实现星表基地建设，需向星表发射飞行器，而这些飞行器在完成任务后，就变成了废弃资源。同时，将物资从地球运输至星表的代价较大，因此可以从飞行器上卸下有使用价值的部件进行回收利用，作为基地建设备用品，例如飞行器的电池可作为基地能源站的备用物资等。
迄今为止，由各航天大国及地区主导的深空探测活动已有60多年的历史，本节将对其中的典型案例进行具体介绍。
1.“阿波罗11号”飞船
1969年7月，“阿波罗11号”飞船成功发射，开启了人类首次月球之旅。随后，参与飞行的美国航天员阿姆斯特朗和奥尔德林踏上月球表面，成为首次登上月球的人类[53]，如图1-28所示。
图1-28 航天员登月
“阿波罗11号”飞船由指令舱、服务舱和登月舱3部分组成，登月飞行结束后，只有指令舱和3名航天员返回地球。在此次登月任务中，航天员在月面执行了月面拍摄、仪器安装、向地面控制中心发送探测信息、月岩和月壤样品采集等任务。此后，美国又共发射了6艘阿波罗系列载人飞船进行登月飞行，共有12名航天员登上月球，在月面开展了一系列实地考察工作，带回了大量月球土壤和岩石，实地拍摄了月面照片。上述任务的开展初步揭开了月球的真面目。
2.苏联火星探测器
1960—1974年间，为探测火星及其空间环境，苏联先后发射了7个火星探测器，各探测器的任务执行情况如表1-6所示[54]。
表1-6 苏联火星探测任务
续表
3.苏联金星探测器
1961—1984年间，为探测金星及其空间环境，苏联先后发射了16个金星探测器，各探测器的任务执行情况如表1-7所示[55]。
表1-7 苏联金星探测任务
续表
4.美国火星探测器
自20世纪60年代起，美国发射了大量的火星探测器。其中，“勇气号”“机遇号”“凤凰号”和“好奇号”探测器成功登陆火星，为研究火星上液态水与生物存在提供了重要数据，其任务执行情况如表1-8所示。目前，“好奇号”探测器仍在火星上正常工作，为美国传回大量的火星照片，并采集了多份火星的岩石与土壤样品。
表1-8 美国火星探测任务
5.火星快车任务
火星快车（Mars Express，MEX）任务是ESA的第一次深空探测任务，目的是寻找火星上有水存在的证据以及探索火星上的生命元素[58]，如图1-29所示。MEX于2003年1月发射，同年12月进入火星轨道，并于2004年1月到达测绘轨道。
图1-29 火星快车
MEX包括2个部分，火星轨道器（火星快车卫星）和火星登陆器（“小猎犬2号”），由于“小猎犬2号”登陆时太阳能帆板未能完全展开，无法与地面取得通信，从而导致任务失败。但MEX携带的主要有效载荷，如高分辨率和超分辨率立体彩色成像仪、红外矿物学探测光谱仪等，仍帮助MEX在勘测过程中拍摄了大量的火星照片，并探测到火星远古洪流的残留证据。
6.“隼鸟号”探测器
“隼鸟号”（Hayabusa）是JAXA为执行小行星探测计划而开发的一种航天器，目的是将“隼鸟号”探测器送往“丝川”小行星，采集小行星星表样品并将其送回地球供科学家研究[59]，如图1-30所示。“隼鸟号”探测器于2003年5月由M-V火箭成功发射至太空，经过2年4个月的飞行，于2005年9月飞抵距“丝川”小行星20 km的预定轨道。
图1-30 “隼鸟号”探测器
“隼鸟号”探测器利用其携带的红外探测仪和X射线探测仪拍摄了小行星的照片，并分析了其表层的密度和成分。此外，“隼鸟号”探测器还利用携带的小金属球撞击小行星表面，使之溅起土壤或岩石碎屑，然后用样品采集装置采集这些飞溅起的土壤或岩石屑。但“隼鸟号”探测器采集到的样品较少，研究人员在样品微粒中发现了橄榄石、斜长石等岩石的大型结晶[60]。
“隼鸟2号”（Hayabusa 2）探测器是“隼鸟号”探测器的后继型号，于2014年12月发射升空，并于2019年2月在“龙宫”小行星表面成功着陆，同年4月向“龙宫”小行星表面发射了一颗大金属球，金属球击中小行星表面后，大量土壤和岩石溅起，“隼鸟2号”探测器收集了飞溅起的星表样品并计划将其带回地球进行分析，如图1-31所示。“隼鸟2号”探测器已经于2020年12月将样品成功带回地球。
图1-31 “隼鸟2号”探测器
7.金星快车
金星快车（Venus Express，VEX）是ESA的首个金星探测器，如图1-32所示，目的是对金星大气和等离子体环境进行全面的调查[61-62]。VEX于2005年11月从哈萨克斯坦境内的拜科努尔航天发射场发射升空，并于次年6月到达金星轨道[63]。
图1-32 金星快车
VEX配备了空间等离子体与高能原子分析仪、行星傅里叶光谱仪、金星大气特征研究分光计、金星射电探测仪、可见光与红外热成像光谱仪、金星监测相机、磁强计等科学仪器。这些科学仪器帮助VEX拍摄了金星图像，发现了金星阴面存在一层薄薄的臭氧层，并且还观测到了“磁重联”的现象[61-62]。
8.“嫦娥”系列探测器
我国的深空探测活动起步于月球探测，并命名为“嫦娥工程”。2007年，“嫦娥一号”月球探测器成功发射升空，在完成各项使命后，于2009年按预定计划受控撞月，如图1-33所示。此后，各“嫦娥”系列探测器任务均圆满完成了“绕、落、回”的目标，使我国掌握了环月与月表探测、月面软着陆、月地再入返回、月面采样返回等关键技术，具备了发射、测控、通信及回收等能力。自2003年启动探月工程一期研制以来，我国已成功实施了6次探测任务，具体情况如表1-9所示。
图1-33 “嫦娥一号”探测器
表1-9 “嫦娥”系列探测器任务
深空探测的对象通常都是月球、火星、金星和小行星，探测方式经过了飞越、环绕、硬着陆、软着陆、巡视和采样返回等多个阶段，目前在相关技术的支撑下，人类已实现对这些星球进行环境观测和样品采集。此外，已有多个国家提出星表基地建设的计划，但这一计划涉及的技术范围广、难度高，且在任务实施之前就需开展相关的设计工作与验证工作，因而实际进度均慢于其计划进度，目前仍处于计划阶段。因此，为更好地开展深空探测任务，需进行长期规划，并加强技术储备。
本章系统阐述了包括在轨服务和深空探测在内的空间探索任务的发展历程。基于在轨服务任务，着重分析了在轨装配、在轨维护等任务的流程和关键技术，并梳理总结了在轨服务典型案例；基于深空探测任务，着重分析了样品采集和星表基地建设的任务流程和关键技术，并梳理总结了深空探测任务典型案例。综合考虑以上各操作类任务完成所需条件，空间机器人在在轨服务和深空探测中扮演着举足轻重的角色，可代替人类完成一系列空间探索任务，从而极大地拓展人类的空间探索领域。
[1] LI W J, CHENG D Y, LIU X G, et al.On-orbit service (OOS) of spacecraft: a review of engineering developments[J].Progress in Aerospace Sciences, 2019, 108: 32-120.
[2] WU W R, LIU W W, QIAO D, et al.Investigation on the development of deep space exploration[J].Science China Technological Sciences, 2012, 55(4): 1086-1091.
[3] 吴伟仁，刘旺旺，蒋宇平，等.国外月球以远深空探测的发展及启示(上)[J].中国航天，2011，7: 9-12.
[4] 贾平.国外在轨装配技术发展简析[J].国际太空，2016, 12(12): 61-64.
[5] 张天驰.3D打印技术在太空的应用[J].太空探索，2016，8: 36-39.
[6] 黄攀峰，常海涛，鹿振宇，等.面向在轨服务的可重构细胞卫星关键技术与展望[J].宇航学报，2016, 37(1): 1-10.
[7] 靳力，瞭望.欧洲自动货运飞船首次向“国际空间站”提供燃料[J].航天器工程，2008, 17(4): 76.
[8] 芦瑶.空间在轨装配技术发展历程研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011.
[9] BARTLETT R O.NASA standard Multimission Modular Spacecraft for future space exploration[R].Washington: NASA，1978.
[10] 马尚君，刘更，吴立言，等.航天器结构的模块化设计方法综述[J].机械科学与技术，2011, 30(6): 960-967.
[11] 唐琼，焉宁，张烽.国外在轨燃料加注站构型研究[J].国际太空，2017，11: 60-64.
[12] 饶大林，闫指江，王书廷，等.常规推进剂在轨加注技术研究现状与趋势[J].导弹与航天运载技术，2015，5: 50-54.
[13] 古浪.空间大型机械臂末端执行器电气系统的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2013.
[14] 谭春林，刘永健，于登云.在轨维护与服务体系研究[J].航天器工程，2008, 17(3): 45-50.
[15] 孙志兵，梁建烈，张荣之.空间碎片清理方式与总体思路[J].广西民族大学学报(自然科学版)，2017, 23(1): 55-59.
[16] 翟光，仇越，梁斌，等.在轨捕获技术发展综述[J].机器人，2008，30(5): 467-480.
[17] 蔡洪亮，高永明，邴启军，等.国外空间非合作目标抓捕系统研究现状与关键技术分析[J].装备指挥技术学院学报，2010, 21(6): 71-77.
[18] TARABINI L, GIL J, GANDIA F, et al.Ground guided CX-OLEV rendezvous with uncooperative geostationary statellite[J].Acta Astronautica, 2007，61(1): 312-325.
[19] 李新刚，裴胜伟.国外航天器在轨捕获技术综述[J].航天器工程，2013, 22(1): 113-119.
[20] HIRZINGER G, BRUNNER B, LAMPARIELLO R, et al.Advances in orbital robotics[C]// 2000 IEEE International Conference on Robotics and Automation.Piscataway，USA：IEEE, 2000: 898-907.
[21] 王超，董正宏，尹航，等.空间目标在轨捕获技术研究综述[J].装备学院学报，2013，24(4): 63-66.
[22] 徐映霞.微纳卫星的几种在轨发射方法[J].国际太空，2016，7: 72-77.
[23] 张坤，谷良贤.基于AHP法的在轨发射方案评价[J].工业仪表与自动化装置，2010(5): 11-14.
[24] 高滨.火工驱动分离装置的应用[J].航天返回与遥感，2004，25(1): 55-59.
[25] 蔡逢春，孟宪红.用于连接与分离的非火工装置[J].航天返回与遥感，2005，26(4): 50-55.
[26] 覃慧.航天器在轨对地释放技术概念研究[D].长沙：国防科学技术大学，2006.
[27] 陈小前，袁建平.航天器在轨服务技术[M].北京：中国宇航出版社，2009.
[28] 程福臻.哈勃空间望远镜辉煌的19年[J].科学，2009，61(4): 22-25.
[29] BOSSE A B, BARNDS W J, BROWN M A, et al.SUMO: spacecraft for the universal modification of orbits[C]//Spacecraft Platforms and Infrastructure.Bellingham, WA: SPIE, 2004, 5419: 36-46.
[30] VISENTIN G, BROWN D L.Robotics for geostationary satellite servicing[J].Robotics & Autonomous Systems, 1998, 23(1-2):45-51.
[31] IMAIDA T, YOKOKOHJI Y, DOI T, et al.Ground-space bilateral teleoperation experiment using ETS-VII robot arm with direct kinesthetic coupling[C]//2001 IEEE International Conference on Robotics and Automation.Piscataway，USA：IEEE, 2001: 1031-1038.
[32] 歌今.日本工程试验卫星—7引人注目[J].国际太空，1997，8: 20-25.
[33] ODA M.Results of NASDA’s ETS-VII Robot Mission and Its Applications[C]//The 4th International Conference and Exposition on Robotics for Challenging Situations and Environments-Robotics 2000.Reston, VA, USA：ASCE, 2000: 32-48.
[34] FRIEND R B.Orbital Express program summary and mission overview[C]// Sensors and Systems for Space Applications.Bellingham, WA: SPIE , 2008: 1-11.
[35] GLADUN S A.Investigation of close-proximity operations of an autonomous robotics on-orbit servicer using linearized orbit mechanics[D].Gainesville: University of Florida, 2005.
[36] 韩淋，杨帆，范唯唯，等.国际空间站科研应用活动分析与启示[J].载人航天，2019，25(6):834-840.
[37] 张凯锋，周晖，温庆平，等.空间站机械臂研究[J].空间科学学报，2010, 30(6): 612-619.
[38] GEFKE G, JANAS A, CHIEI R, et al.Advances in robotic servicing technology development[C]//AIAA SPACE 2015 Conference and Exposition.Pasadena, United States：AIAA, 2015: 1-9.
[39] 周建平.天宫一号/神舟八号交会对接任务总体评述[J].载人航天，2012, 18(1): 1-5.
[40] 文汇.天宫二号空间实验室实现多项“首次”验证[J].中国航天，2016，11: 4-7.
[41] 周建平.中国空间站工程总体方案构想[J].太空探索，2013，12: 6-11.
[42] 刘志全，庞彧，李新立.深空探测自动采样机构的特点及应用[J].航天器工程，2011, 20(3): 120-125.
[43] ZACNY K, PAULSEN G, MCKAY C P, et al.Reaching 1m deep on Mars: the icebreaker drill[J].Astrobiology, 2013, 13(12): 1166-1198.
[44] 节德刚，李晟诚，唐钧跃，等.基于1553B的钻取采样动作流程规划实现[C]// 中国宇航学会深空探测技术专业委员会第九届学术年会论文集(下册).杭州：中国宇航学会，2012: 80-86.
[45] 陈引生.月壤采样机械臂设计及动态特性研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009.
[46] 张斌，俞敏，杨华勇.深空样品密封技术综述[J].航天器环境工程，2013, 30(1): 26-33.
[47] *泰宁，补家武，王恒.月面钻取采样——中国钻探界面临的新任务展望[J].探矿工程，2003，1: 9-10.
[48] MCLENNAN S M, ANDERSON R B JF, BRIDGES J C, et al.Elemental geochemistry of sedimentary rocks at yellow knife bay, gale crater, Mars[J].Science, 2014, 343(6169): 1-10.
[49] 庞彧，刘志全，李新立.月面钻取式自动采样机构的设计与分析[J].中国空间科学技术，2012, 32(6): 16-22.
[50] 林一平.太空基地和太空工业化[J].江苏航空，2000，1: 46-48.
[51] 袁勇，赵晨，胡震宇.月球基地建设方案设想[J].深空探测学报，2018, 5(4): 374-381.
[52] 吴国兴.月球基地建设前的准备工作[J].太空探索，2006，5: 42-45.
[53] 韩鸿硕，蒋宇平.各国登月计划及载人登月的目的与可行性简析(上)[J].中国航天，2008，9: 30-33.
[54] 牟旭娜，陈昌亚，李金岳，等.前苏联/俄罗斯火星探测器研制特点[J].上海航天，2013, 30(4): 38-42.
[55] 庾莉萍.探测金星的历程(二)[J].科学与无神论，2006，2: 31-32.
[56] ZOU Y L, WANG Q.Vision and voyages for deep space exploration[J].空间科学学报，2016, 36(5): 606-609.
[57] 司马杭仁.涅槃重生走钢丝 安全着陆是关键 “凤凰”奔向火星[J].太空探索，2007，9: 12-15.
[58] 陈世平.“火星快车”的有效载荷[J].国际太空，2004，7: 26-31.
[59] YOSHIKAWA M, FUJIWARA A, KAWAGUCHI J, et al.The nature of asteroid Itokawa revealed by Hayabusa[M]//MILANI A, VALSECCHI G B, VOKROUHLICKY D.Near Earth Objects, our Celestial Neighbors: Opportunity and Risk.Cambridge: Cambridge University Press, 2007: 401-416.
[60] 庞统.日本隼鸟号小行星探测器返回地球[J].国际太空，2010，8: 28-33.
[61] 晓雨.欧空局的“金星快车”探测器(上)[J].中国航天，2006，2: 41-44.
[62] 晓雨.欧空局的“金星快车”探测器(下)[J].中国航天，2006，3: 41-44.
[63] SVEDHEM H, TITOV D V, MCCOY D, et al.Venus Express—the first European mission to Venus[J].Planetary and Space Science, 2007, 55(12): 1636-1652.
