空間機構(gòu)技術(shù)發(fā)展趨勢及展望

從 強，羅 敏，李偉杰(北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京100094)

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空間機構(gòu)技術(shù)發(fā)展趨勢及展望

從 強，羅 敏，李偉杰
(北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京100094)

摘要:概述了我國空間機構(gòu)技術(shù)的發(fā)展歷程，結(jié)合當前我國航天技術(shù)的發(fā)展需求，對后繼輕質(zhì)大型展開機構(gòu)、高精度指向機構(gòu)、智能操作機構(gòu)三個發(fā)展方向的研究概況進行了分析。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)空間機構(gòu)的復(fù)雜度和其在航天器系統(tǒng)中的地位變化，總結(jié)出我國空間機構(gòu)單機-分系統(tǒng)-機械系統(tǒng)(平臺)的發(fā)展趨勢，歸納出了目前空間機構(gòu)發(fā)展中“結(jié)構(gòu)-機構(gòu)一體化分析”、“材料-機構(gòu)一體化設(shè)計”、“控制-機構(gòu)一體化設(shè)計”的技術(shù)特點，提出了加強柔性機構(gòu)動力學(xué)技術(shù)、大變形材料制備及應(yīng)用技術(shù)、微驅(qū)動技術(shù)的研究，以配合新型空間機構(gòu)技術(shù)發(fā)展的建議。

關(guān)鍵詞:空間機構(gòu)；展開機構(gòu)；指向機構(gòu)；智能機構(gòu)

1　引言

空間機構(gòu)是現(xiàn)代航天器系統(tǒng)的重要組成部分。空間機構(gòu)是指航天器及其部件或附件完成規(guī)定動作或運動的機械組件[1]。空間機構(gòu)一般由壓緊釋放單元、驅(qū)動裝置、傳動組件、控制與反饋組件、連接支撐組件5個部分組成[2]。依據(jù)基本功能，目前可以將其劃分為四類[3]，即:連接分離機構(gòu)，如包帶、爆炸螺栓、對接機構(gòu)等；展開鎖定機構(gòu)，如太陽翼鉸鏈、天線展開機構(gòu)等；驅(qū)動伺服機構(gòu)，如天線展開機構(gòu)、機械臂關(guān)節(jié)等；緩沖與減振機構(gòu)，如著陸緩沖機構(gòu)、阻尼減振機構(gòu)等。隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展，空間機構(gòu)的具體功能和種類正在不斷地變化與擴大。

與地面使用的一般機構(gòu)相比，空間機構(gòu)具有以下特殊性[4]:1)空間特殊環(huán)境的適應(yīng)性:空間環(huán)境的高真空、寬幅溫度變化、強太陽電磁輻射、高能粒子輻射、等離子體、微流星體、行星大氣和磁場等，均會對航天器材料力學(xué)性能、表面狀態(tài)、機構(gòu)運動副摩擦力、電子元器件壽命等造成影響，進而影響空間機構(gòu)的可靠性和安全性。因此，相比于一般機構(gòu)，空間機構(gòu)需在設(shè)計時充分考慮各項空間環(huán)境的影響。2)不可維修性:雖然隨著空間技術(shù)的發(fā)展，航天飛機、空間站等飛行任務(wù)實現(xiàn)了空間飛行器的在軌維修、更換和維護，但從人類的現(xiàn)有技術(shù)水平來看，很長時間內(nèi)人類發(fā)射的大部分航天器都不具有在軌維修和更換的可能性。因此，相比于一般機構(gòu)，空間機構(gòu)需要考慮材料疲勞、老化等壽命問題，確?？臻g機構(gòu)能在規(guī)定的壽命時期內(nèi)可靠地工作。3)輕質(zhì)要求:由于極高的發(fā)射成本，空間飛行器對部組件重量要求極為嚴苛，空間機構(gòu)在設(shè)計時必須追求以最小的重量代價滿足使用要求。4)功耗限制:空間飛行器能源供給有限，對部件和設(shè)備功耗有嚴格的限制，空間機構(gòu)工作不宜造成很大的電功率消耗。上述特殊性使得空間機構(gòu)的設(shè)計與地面一般機構(gòu)有很大的區(qū)別，因此有必要對其研制歷程和研制特點進行歸納總結(jié)。

本文歸納了我國空間機構(gòu)的發(fā)展階段，歷數(shù)了我國空間機構(gòu)發(fā)展歷程中的重要節(jié)點，結(jié)合當前我國航天技術(shù)的發(fā)展需求，概括了后繼若干發(fā)展方向的研究動態(tài)；并由此總結(jié)出空間機構(gòu)單機-分系統(tǒng)-機械系統(tǒng)(平臺)的發(fā)展趨勢和技術(shù)特點，旨在為我國空間機構(gòu)的研究提供借鑒和參考。

2　我國空間機構(gòu)發(fā)展歷程

我國空間機構(gòu)技術(shù)的發(fā)展，可根據(jù)機構(gòu)系統(tǒng)的復(fù)雜性及其在航天器系統(tǒng)中的組成地位，從1970年至今為止大致分為三個階段:

2. 1 起步階段

20世紀70至80年代，是我國空間機構(gòu)的起步階段，該階段研制的空間機構(gòu)產(chǎn)品形式簡單、功能單一，在航天器系統(tǒng)中以單機產(chǎn)品的形式存在，這一階段的主要標志性節(jié)點包括:

1970年我國第一顆人造地球衛(wèi)星東方紅一號[5]，應(yīng)用了我國首個衛(wèi)星空間機構(gòu)-桿狀天線及觀測裙，該機構(gòu)依靠自旋慣性展開，如圖1所示。

1981年，實踐二號衛(wèi)星[6]實現(xiàn)了我國首個可展開太陽帆板在軌展開，如圖2所示。

1984年，東方紅二號衛(wèi)星[7]，首次成功使用了包帶式星箭連接分離裝置和天線消旋機構(gòu)，實現(xiàn)星箭分離和自旋穩(wěn)定衛(wèi)星的天線對地定向功能，如圖3所示。

圖1　“東方紅一號”衛(wèi)星[5]Fig. 1 DFH-1 satellite[5]

圖2　實踐二號衛(wèi)星[6]Fig. 2 SJ-2 satellite[6]

圖3　東方紅二號衛(wèi)星[7]Fig. 3 DFH-2 satellite[7]

2. 2 快速發(fā)展階段

20世紀90年代到21世紀初，是我國空間機構(gòu)的快速發(fā)展階段。該階段空間機構(gòu)產(chǎn)品在我國航天器上得以大量運用，形成了連接分離機構(gòu)、展開鎖定機構(gòu)、驅(qū)動指向機構(gòu)、緩沖減振機構(gòu)等功能類別和產(chǎn)品系列。機構(gòu)產(chǎn)品在部分航天器上，以獨立分系統(tǒng)出現(xiàn)，如神舟八號對接機構(gòu)分系統(tǒng)和嫦娥三號著陸緩沖分系統(tǒng)等。這一階段的主要標志性節(jié)點包括:

1999年發(fā)射的神舟號載人飛船系列，在結(jié)構(gòu)與機構(gòu)分系統(tǒng)中包含了24種74臺(套)機構(gòu)產(chǎn)品。其中，火工鎖[8]、座椅緩沖器[9]等多種機構(gòu)均為首次應(yīng)用，如圖4所示，這些機構(gòu)的研制極大地促進了我國空間機構(gòu)設(shè)計水平的提升。

圖4　神舟號飛船艙段連接分離用火工鎖[8]Fig.4 Pyrotechnic separator for China SHENZHOU spaceship modules connection and separation[8]

2000年，在中星22號01星上，我國首個自主研制的大型套筒式天線展開機構(gòu)在軌成功展開[10]。2006年，中星22號02星應(yīng)用了雙軸天線指向機構(gòu)，是我國首個在軌應(yīng)用的雙軸指向機構(gòu)[11]。2006年，遙感衛(wèi)星一號首個星載大型可展桁架天線機構(gòu)在軌展開，突破了大型桁架展開機構(gòu)技術(shù)[12]。2007年，“尼日利亞通信衛(wèi)星1號”應(yīng)用的東方紅四號衛(wèi)星平臺大型太陽翼和大型拋物面天線[13]，是我國大型空間伸展機構(gòu)的標志性成果之一，如圖5所示。

圖5　尼日利亞通信衛(wèi)星1號[13]Fig. 5 Nigcomsat-1[13]

2011年，天宮一號/神舟八號任務(wù)首次成功實現(xiàn)在軌對接[14]，使我國突破了空間交會對接技術(shù)，如圖6所示。

圖6　神舟八號飛船與天官一號目標飛行器對接模擬圖[14]Fig. 6 Rendezvous process simulation of SZ-8 spaceship and TG-1 target spacecraft[14]

2. 3 深入發(fā)展階段

21世紀初至今，是我國空間機構(gòu)深入發(fā)展階段，該階段空間機構(gòu)的發(fā)展特點是逐步與材料、控制、信息等技術(shù)融合，形成了諸如智能操作機器人、地外行走巡視器的復(fù)雜航天器機械系統(tǒng)(平臺)。同時，空間機構(gòu)開始以航天器主載荷或平臺的角色出現(xiàn)，在航天器系統(tǒng)中地位進一步提升。這一階段的主要標志性節(jié)點是:2013年，嫦娥三號采用著陸緩沖機構(gòu)和主結(jié)構(gòu)構(gòu)成著陸器平臺，實現(xiàn)了我國首次地外星體著陸[15]，如圖7。其月面巡視器作為移動平臺，實現(xiàn)了我國首次地外巡視探測[16]，如圖8。

圖7　嫦娥三號著陸緩沖機構(gòu)[15]Fig. 7 Landing gear for Chang’E-3[15]

除了上述已經(jīng)在軌獲得應(yīng)用的空間機構(gòu)外，目前我國在研的部分空間機構(gòu)，如空間站大型機械臂系統(tǒng)、嫦娥五號月球表面采樣鉆取機構(gòu)、空間站超大功率柔性太陽翼等，作為航天器的主載荷或者重要分系統(tǒng)，均體現(xiàn)出復(fù)雜空間機械系統(tǒng)(平臺)的特點。

圖8　嫦娥三號月面巡視器[16]Fig. 8 Chang'E-3 lunar rover[16]

3　空間機構(gòu)后繼發(fā)展方向及國外研究進展

隨著我國航天技術(shù)的快速發(fā)展，后繼以空間站、深空探測等為代表的空間任務(wù)，其任務(wù)和系統(tǒng)高度復(fù)雜，對空間機構(gòu)的功能、性能、壽命等要求越來越高，對重量、體積、功耗等限制越來越嚴格。為了實現(xiàn)多功能、高精度、輕質(zhì)化，空間機構(gòu)引入越來越多的控制、測量、信息、材料等領(lǐng)域的新技術(shù)和新方法，空間機構(gòu)技術(shù)從傳統(tǒng)的機構(gòu)與力學(xué)學(xué)科領(lǐng)域，向多學(xué)科交叉融合的方向發(fā)展，擴展成為高度復(fù)雜的空間機械系統(tǒng)。這一發(fā)展趨勢，在大型輕質(zhì)展開機構(gòu)、高精度指向機構(gòu)、智能操作機構(gòu)三類復(fù)雜的空間機械系統(tǒng)的發(fā)展中體現(xiàn)的十分明顯。

3. 1 輕質(zhì)大型展開機構(gòu)研究進展

空間展開機構(gòu)是空間機構(gòu)中廣泛應(yīng)用的一個分支，這種機構(gòu)在航天器發(fā)射及動力飛行階段能可靠收攏于有限的包容空間內(nèi)，而在動力飛行結(jié)束后的某一指定軌道上可伸展為預(yù)定的空間構(gòu)型承受載荷。大型航天器對空間展開機構(gòu)的需求旺盛，傳統(tǒng)的展開機構(gòu)一般依靠鉸鏈、電機等驅(qū)動機構(gòu)，將被展開部件連接起來并實現(xiàn)展開與鎖定的功能，這種機械展開的方式難以適應(yīng)幾十米甚至數(shù)百米尺度的高收納比、輕質(zhì)大型展開機構(gòu)的要求。目前，大口徑、高精度、輕質(zhì)量的可展開天線正成為可展開天線的發(fā)展趨勢，主要技術(shù)發(fā)展方向包括:

3. 1. 1 材料自展開技術(shù)

利用特殊金屬、復(fù)合材料的彈性大變形能力，可以驅(qū)動結(jié)構(gòu)變形和展開。同時展開后材料本身作為結(jié)構(gòu)一部分具有承載功能。這種方式集收攏、驅(qū)動、承載等多功能于一體，去除了機械鉸鏈等環(huán)節(jié)，從而極大地簡化機構(gòu)組成、降低展開系統(tǒng)重量，提升可靠性。圖9為德國宇航局(DRL)研制的由大變形復(fù)合材料驅(qū)動的薄膜展開機構(gòu)[17]。[17]

圖9　DRL薄膜展開天線樣機Fig. 9 DRL’s membrane deployable antenna implementation[17]

形狀記憶復(fù)合材料在加熱材料后對材料施加外力使材料形狀改變，材料冷卻后撤去外力，則改變后的形狀得以保持；在軌時再次將材料加熱，材料自行恢復(fù)最初形狀實現(xiàn)展開。利用這種原理實現(xiàn)的展開機構(gòu)，具有重量輕、精度高、活動部件少的優(yōu)點[18]。圖10為美國CTD公司研發(fā)的整體旋轉(zhuǎn)拋物面形可展開天線[19]，整個展開機構(gòu)都是由形狀記憶復(fù)合材料設(shè)計而成。

圖10　CTD公司基于形狀記憶復(fù)合材料的展開天線[19]Fig. 10 CTD’s deployable antenna based on shape memory polymer composites[19]

3. 1. 2 充氣展開技術(shù)

發(fā)射前將柔性材料收納成很小的體積，進入軌道后，通過氣體使結(jié)構(gòu)膨脹至展開狀態(tài)。這種方式突出的特點是收納率大，質(zhì)量小，展開可靠性高，口徑適應(yīng)范圍廣。這種技術(shù)的突出代表是L’Garde公司直徑14 m的充氣展開天線[20]，1996年在軌展開獲得了圓滿成功，如圖11示。

3. 1. 3 空間在軌制造技術(shù)

圖11　L’Garde公司充氣展開天線[20]Fig. 11 L‘Garde’s inflatable-deployable antenna[20]

3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，為空間大型展開結(jié)構(gòu)提供了一種全新的設(shè)計思路。設(shè)計師不再需要考慮復(fù)雜的折疊與收納過程，只需將原材料攜帶至空間，在軌打印出所需的構(gòu)型。這種技術(shù)目前尚處于概念研究階段，2013年，美國NASA風(fēng)投了SpiderFab項目，目標是設(shè)計空間多足裝配機器人，可以在空間3D打印一維長桿，再通過機器手進行組裝形成桁架結(jié)構(gòu)[21]，如圖12所示。可以預(yù)見，這一技術(shù)一旦實用化，將徹底顛覆現(xiàn)有展開機構(gòu)的設(shè)計方法和設(shè)計思路。

圖12　“SpiderFab Bot”在衛(wèi)星上建造支撐結(jié)構(gòu)示意圖[21]Fig. 12 Concept for a“SpiderFab Bot”constructing a support structure onto a satellite[21]

3. 2 高精度指向機構(gòu)研究進展

指向機構(gòu)是空間機構(gòu)的重要一種，可以實現(xiàn)天線對目標的實時跟蹤、定位等功能，從而滿足星地與星間的通信與數(shù)據(jù)傳輸、各類雷達與觀測器等對指向和定位的需求[1]。傳統(tǒng)的指向驅(qū)動機構(gòu)，主要采用步進電機與諧波齒輪傳動組合的驅(qū)動機構(gòu)實現(xiàn)指向定位功能。這種方式受電機控制精度、機構(gòu)裝配精度的限制，已經(jīng)不能適應(yīng)后繼高精度遙感、遠距離激光通信等角秒級的指向精度要求。新型高精度指向機構(gòu)正成為指向機構(gòu)的發(fā)展方向，主要技術(shù)發(fā)展方向包括:

3. 2. 1 并聯(lián)機構(gòu)技術(shù)

與串聯(lián)機構(gòu)相比，并聯(lián)機構(gòu)屬于并聯(lián)冗余運動機構(gòu)，具有更高的剛度和運動精度，能夠有效地降低系統(tǒng)運動誤差，但其機構(gòu)設(shè)計和運動控制方法也更為復(fù)雜[22]。圖13是PI公司研制的六支鏈小型并聯(lián)指向機構(gòu)[23]，工作空間為40 mm×40 mm× 13 mm，重復(fù)定位精度可達到0. 5 μm。

圖13　PI公司六自由度并聯(lián)指向機構(gòu)[23]Fig. 13 PI’s six strut positioner[23]

3. 2. 2 微驅(qū)動技術(shù)

采用新型的驅(qū)動元件代替步進電機，提高驅(qū)動精度也是提升指向機構(gòu)精度的重要途徑之一。以壓電驅(qū)動器和音圈電機等作為動力源，具有驅(qū)動范圍小、位移精度高(亞微米甚至納米級)、動態(tài)范圍寬等特點，適合于空間小但精度要求高的場合，正成為指向機構(gòu)的新的驅(qū)動元件。M5場穩(wěn)定裝置(M5FU)[24]是為歐洲超大型望遠鏡(EELT)設(shè)計的一種快速修正光學(xué)系統(tǒng)，為由望遠鏡動態(tài)指向誤差和大氣風(fēng)擾引起的光學(xué)偏差提供自適應(yīng)修正。其利用壓電驅(qū)動器驅(qū)動，動作半徑為830 mm，分辨率達到20 nm，如圖14所示。

圖14　M5FU設(shè)計和實物[24]Fig. 14 M5FU design and implementation[24]

3. 2. 3 柔性鉸鏈技術(shù)

與常規(guī)的球鉸、萬向節(jié)等機械活動關(guān)節(jié)相比，柔性機構(gòu)可整體化設(shè)計和加工，不需要軸承，因此可以減小機構(gòu)體積，實現(xiàn)無間隙、無摩擦、高精度的運動[25]。柔性鉸鏈已經(jīng)發(fā)展出多種形式，可模擬球鉸、萬向節(jié)等多種形式的運動副，近年來逐步走向航天應(yīng)用。圖15為RUAG公司用于并聯(lián)指向機構(gòu)的柔性鉸鏈[26]。

圖15　RUAG公司在柔性指向機構(gòu)上使用的柔性鉸鏈[26]Fig. 15 RUAG’s flexure hinges on reflector trimming mechanism[26]

3. 3 智能操作機構(gòu)研究進展

智能操作機構(gòu)用于輔助或代替航天員執(zhí)行空間任務(wù)，主要包括空間機械臂、空間機器人和巡視探測器等。與有人值守航天器相比，采用智能操作機構(gòu)在成本、效率等方面均有巨大的優(yōu)勢，因此在國際空間站、火星探測等任務(wù)中得到廣泛而成功的應(yīng)用[27]。該方向研究進展包括:

3. 3. 1 智能機械臂系統(tǒng)

機械臂是應(yīng)用最為廣泛的空間機器人系統(tǒng)，目前已應(yīng)用于空間站大型艙段在軌組裝、來訪飛行器捕獲與對接、貨物搬運、輔助航天員艙外活動等任務(wù)[28]。在空間合作目標在軌抓捕、模塊更換、在軌加注、接管控制以及非合作翻滾目標的抓捕和轉(zhuǎn)移等任務(wù)也有明確需求[29]。此外行星及小行星地外天體采樣、取樣及放樣等任務(wù)需求。目前廣為人知的是國際空間站使用的加拿大SRMS(Shuttle Remote Manipulator System)[30]。除此以外，國際空間站還將配備歐洲航天局和俄羅斯航天局聯(lián)合開發(fā)的機械臂ERA[31]，如圖16所示。以及日本研制的實驗艙機械臂系統(tǒng)JEMRMS[32]。

圖16　ERA機械臂組成[31]Fig. 16 Overall ERA arm architecture[31]

圖17　ROBONAUT2[33]Fig. 17 ROBONAUT2[33]

3. 3. 2 智能機器人

智能雙臂或多臂空間機器人系統(tǒng)，可以應(yīng)用于空間站艙內(nèi)外精細操作、設(shè)備更換、在軌加注、空間大型載荷搬運及組裝操作、空間載荷試驗等復(fù)雜人機交互操作需要。NASA和GM研制機器人航天員ROBONAUT2[33]，如圖17所示，是2011年進入國際空間站的第一個面向在軌服務(wù)的仿人空間機器人系統(tǒng)。上半身共42自由度，雙目視覺，多指靈巧手；下半身雙腿14個自由度。

3. 3. 3 巡視探測器

巡視探測器在地外天體巡視探測中得到了廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的巡視探測器以輪式探測器為主，經(jīng)過多年的發(fā)展，在月球和火星探測中取得了大量的應(yīng)用。與輪式探測器相比，腿式機構(gòu)具有很強的地形適應(yīng)能力，在復(fù)雜的巖石地貌和松軟的土質(zhì)表面不易卡陷。例如卡內(nèi)基一梅隆大學(xué)(CMU)研制的Ambler火星漫游車可使機器人始終保持水平的狀態(tài)[34]。輪腿式混合結(jié)構(gòu)探測器結(jié)合了輪式機構(gòu)運動速度快、作業(yè)范圍大和腿式機構(gòu)地形適應(yīng)性強的優(yōu)點，是后繼巡視探測器發(fā)展的方向[35]。德國研究的ALDURO輪腿式機器人，具有兩個足和兩個輪子。并且兩個輪子在必要的時候可以成為足，變換為四足步行機器人[36]，如圖18所示。

4　空間機構(gòu)發(fā)展趨勢、技術(shù)特點和研究建議

4. 1 發(fā)展趨勢

回顧我國空間機構(gòu)發(fā)展歷程和后繼發(fā)展方向，從航天器系統(tǒng)組成來看，空間機構(gòu)呈現(xiàn)單機產(chǎn)品-機構(gòu)分系統(tǒng)-機械系統(tǒng)(平臺)的發(fā)展趨勢。

圖18　ALDURO輪腿式機器人兩種狀態(tài)[36]Fig. 18 Two possible configurations of the Walking Machine ALDURO[36]

1)單機產(chǎn)品階段，機構(gòu)功能局限于單一功能的實現(xiàn)，例如，東方紅二號衛(wèi)星包帶式星箭連接分離裝置的功能為星箭分離[1]，機構(gòu)設(shè)計以運動學(xué)設(shè)計、機械設(shè)計和力學(xué)設(shè)計為主。

2)機構(gòu)分系統(tǒng)階段，機構(gòu)功能以某一類別(連接分離、緩沖減振等)為主體，比如嫦娥三號著陸緩沖分系統(tǒng)以實現(xiàn)著陸器月面軟著陸為主要功能[15]，機構(gòu)設(shè)計不僅要考慮機構(gòu)運動功能，還需要作為分系統(tǒng)參與總體布局設(shè)計等，直接影響整個航天器系統(tǒng)設(shè)計和任務(wù)規(guī)劃。

3)機械系統(tǒng)(平臺)階段，機構(gòu)功能綜合化、復(fù)雜化，已不再局限于運動和力學(xué)功能，擴展至行走、探測、操作等多種功能，例如空間站機械臂系統(tǒng)，需實現(xiàn)空間展開、操作、組裝、捕獲等多種功能[28]，機構(gòu)設(shè)計以多功能系統(tǒng)集成設(shè)計、機電熱控制等多學(xué)科綜合設(shè)計為主。

4. 2 技術(shù)特點

從空間機構(gòu)發(fā)展趨勢來看，隨著空間機構(gòu)發(fā)展至機械系統(tǒng)(平臺)，新型空間機構(gòu)與傳統(tǒng)空間機構(gòu)相比，在設(shè)計技術(shù)上具有“三個一體化”特點:

1)大量柔性附件、充氣結(jié)構(gòu)、柔性鉸鏈等構(gòu)件的引入，使得空間機構(gòu)的運動過程無法采用剛體機械運動表述，因此在機構(gòu)分析建模必須充分考慮結(jié)構(gòu)剛度和變形的影響，使空間機構(gòu)設(shè)計呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)-機構(gòu)一體化設(shè)計分析的特點；

2)大變形材料等材料的引入，使得在機構(gòu)設(shè)計中必須考慮材料力學(xué)特性等因素，將材料變形與機構(gòu)運動統(tǒng)籌考慮，使空間機構(gòu)設(shè)計呈現(xiàn)材料-機構(gòu)一體化設(shè)計分析的特點；

3)新一代高精度并聯(lián)指向機構(gòu)、智能機構(gòu)等，機構(gòu)運動不再沿事先設(shè)計的路徑進行，而是實時感知外界參數(shù)，由控制系統(tǒng)根據(jù)反饋參數(shù)實時控制機構(gòu)運動，使空間機構(gòu)設(shè)計呈現(xiàn)控制-機構(gòu)一體化設(shè)計與分析的特點。

4. 3 發(fā)展建議

上述三個特點，使得傳統(tǒng)的由構(gòu)件和運動副組成的空間機構(gòu)正在向著與材料、信息、控制等多學(xué)科高度融合的復(fù)雜機械系統(tǒng)轉(zhuǎn)變，這種轉(zhuǎn)變將帶動一批新的研究熱點，建議應(yīng)增強以下方面的研究工作，以配合新型空間機構(gòu)技術(shù)的發(fā)展:

1)柔性機構(gòu)動力學(xué)技術(shù)。傳統(tǒng)剛體動力學(xué)分析和設(shè)計方法將不再滿足具有高度柔性化特征的新型大型展開機構(gòu)等的設(shè)計與分析，剛?cè)狁詈戏治觥⑷嵝苑治鰧⒊蔀閯恿W(xué)領(lǐng)域服務(wù)于空間機構(gòu)的重要發(fā)展方向。

2)大變形材料制備、成形及應(yīng)用技術(shù)。大變形復(fù)合材料、形狀記憶復(fù)合材料等新材料的空間應(yīng)用，將推動相關(guān)材料的設(shè)計、測試、分析一系列技術(shù)的研究與發(fā)展。

3)微驅(qū)動技術(shù)。高精度指向機構(gòu)將對長壽命、耐空間環(huán)境的壓電、音圈電機等微驅(qū)動技術(shù)提出強烈的需求，從而推動材料、控制、測試等一系列相關(guān)產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的進步。

4)智能控制和模糊控制技術(shù)。復(fù)雜空間智能操作機構(gòu)的發(fā)展，將推動自主控制、智能算法、空間感知等領(lǐng)域的發(fā)展，進而促進新型傳感器、控制算法、軟件技術(shù)的發(fā)展與進步。

5　結(jié)束語

空間機構(gòu)技術(shù)在我國經(jīng)過四十余年的發(fā)展，呈現(xiàn)了單機產(chǎn)品-分系統(tǒng)-機械系統(tǒng)(平臺)的發(fā)展趨勢，在航天器系統(tǒng)中的重要性不斷提升。當前，空間機構(gòu)技術(shù)呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)-機構(gòu)、材料-機構(gòu)、控制-機構(gòu)一體化設(shè)計的新特點，使得空間機構(gòu)的功能遠遠超出了傳統(tǒng)機構(gòu)。材料、控制、信息、制造等相關(guān)學(xué)科和技術(shù)的不斷進步與融合，為空間機構(gòu)技術(shù)的發(fā)展提供了新的方向。與此同時，未來各種大型空間復(fù)雜機械系統(tǒng)也將帶動多個學(xué)科的研究與發(fā)展。

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·空間智能機構(gòu)技術(shù)·

Development trends and prospects of space mechanism

CONG Qiang，LUO Min，LI Weijie
(Beijing Institute of Spacecraft Systems Engineering，Beijing 100094，China)

Abstract:The development history of Chinese space mechanism technology was summarized in this paper. Three research hotspots such as lightweight-large deployment mechanism，high pointing accuracy position mechanism and smart operating mechanism were introduced，considering the application requirements of China space technology. According to the complexity of space mechanism and its role in spacecraft systems，the development trends of space mechanism from single devices to subsystems to mechanical systems(platform) were summarized. In the end，the technical characteristics of space mechanism development: structure-mechanism integrated simulation，material-mechanism integrated design，control-mechanism integrated design were suggested. The necessity and importance in strengthen the research on flexible structure dynamics analysis，large deformation material manufacture and forming，microdriving technique were put forward.

Key words:space mechanism；deployment mechanism；pointing mechanism；smart mechanism

作者簡介:從強(1973 - )，男，碩士，研究員，研究方向為空間機構(gòu)技術(shù)。E-mail:qiangcong@ sohu. com

基金項目:民用航天技術(shù)預(yù)先研究項目(D020105)

收稿日期:2015-11-09；修回日期:2016-01-02

中圖分類號:V423

文獻標識碼:A

文章編號:1674-5825(2016)01-0001-08