空间大型载荷平台在轨构建技术探讨①

0 引言

21世纪以来，经济飞速发展带来的能源、环境问题日益严重，石油、煤炭、天然气等化石能源终将消耗殆尽，寻求新的清洁能源已成为全世界的共识。与风能、水能、核能、海洋能、地热能和生物能等其他新能源相比，太阳能是最丰富、最清洁的能源。由于地面太阳能能量密度受天气、昼夜交替等影响波动非常大，核聚变电站和空间太阳能电站(SPS-Space Power Satellite;SSPS-Space Solar Power Station;SBSP-Space-Based Solar Power)，是最有可能提供大规模稳定能源的方式。目前世界很多国家已经开展了空间太阳能电站的研究工作，其概念多达数十种，包括Reference System(美国5 GW)、Sail Tower(欧洲450 MW)、GEO ISC(美国1.2 GW)、Tether SPS(日本1 GW)等。这些电站工作在MEO或GEO轨道，建成后最大几何尺寸达到50 m～10 km量级，整站质量达数万吨规模。如使用现有运载工具上行，运输次数多达数千次，如此高昂的成本决定了其不可能付诸实施。超大面积SAR天线系统、大型在轨服务平台等巨型载荷的在轨构建面临同样的问题[1]。

从20世纪70年代起，国际上许多科研机构就开始研究超大型空间载荷可在轨扩展组装建造的结构技术，逐渐形成了一些不同的大型空间结构构建方法，包括采用多模块组装的国际空间站建造、采用大型空间点阵结构进行超大型通信卫星天线系统桁架结构的构建、由NASA航天飞机辅助大型长杆桁架在轨构建技术、单胞重复构建桁架技术、3D打印技术等[2-10]。通过对现有在轨构建技术的分析讨论，本文旨在提出一种高运载效率、高构建效率、高构建精度、高可靠性的超大型结构构建方案，为包括空间电站在内的我国大型载荷在轨构建提供参考。

1 桁架结构在轨组装方案

目前，讨论较多的大型桁架结构在轨构建方法包括以下四种：太空增材制造、可展开结构、可组装结构及单胞重复组装。

1.1 太空增材制造结构

太空增材制造结构在轨构建是指飞行器的零部件由未加工的材料通过在轨制造而成。目前代表性概念是利用增材制造技术完成桁架结构的一体在轨加工。其优点是：简化航天器零件结构、实现轻量化设计；未加工的材料具有很高的运载包装密度；桁架结构平台尺寸、形状基本不受限制；可实现航天器的在轨修复难题。其缺点是：成形精度难以保证；效率极低；由于存在原材料到产品间的状态变化，很难维持构形。这种方法目前虽适用于各种形状平台的构建，但仅停留在概念阶段，距离实施还有很多问题，技术可行性差。图 1为SpiderFab 千米级空间天线建造示意图。

空间3D打印机是实现空间制造的核心，3D打印机的制造能力决定了空间结构的尺度、性能及寿命。按照技术发展规律，目前急需开展单件的制造技术研究，突破典型结构构建的空间环境制造关键技术，为未来更大规模的在轨增材制造奠定基础。多自由度3D打印蜘蛛机器人(SpiderFab) 空间制造构想如图 2所示。

  

(a) 大型天线系统 (b)“SpiderFab”3D打印机器人

 

图 1 SpiderFab 千米级空间天线建造示意图

 

Fig.1 Sketch map of the construction of space antenna “SpiderFab”

  

(a)地面验证复合材料管材挤出成形 (b)红外激光预热焊接

 

图 2 多自由度3D打印蜘蛛机器人(SpiderFab)空间制造构想

 

Fig.2 Imagination of 3D printing SpiderFab with multi DOF

综合对现有技术的分析，图9所示高刚度大型/超大型桁架结构平台的组建关键点包括：

同时,假设正弦信号的频率为一未知常数,所以其导数必然为0。故令其中μs为频谱密度为Φs的白噪声[15],综上,我们可以得到:

国内中科院重庆绿色智能技术研究院和中科院空间应用工程技术中心共同研制的国内首台空间3D打印机已完成抛物线失重飞行试验，能够在微重环境下完成3D 打印。该打印机最大零部件尺寸达200 mm×130 mm，是美国航空航天局首台空间在轨打印机打印尺寸的2倍以上。西安交通大学开展了多自由度3D打印技术研究，可实现空间区域六自由度3D打印，同时根据空间复杂环境，初步制定了面向空间极端环境的3D打印策略，并进行了相关验证。

1.2 可展开结构构建

可展开结构在轨构建是指在地面上装配、折叠，随运载上行至轨道上，然后通过机构自动在轨展开。典型的可展开结构(见图 3)包括：盘压杆可展结构CM(Coilable Mast)、折转铰接杆展开机构、球铰接杆展开机构等。可展开结构的在轨构建是目前应用最广泛的大型结构在轨构建方式，包括一维直线型可展开支撑桁杆、天线杆，二维铰链面板、天线网表面[11]；三维简单的膨胀形体(充气结构)、大型平面桁架和大型多环孔径反射镜等。

  

(a)盘压杆可展结构 (b)折转铰接杆展开机构 (c)球铰接杆展开机构

 

图 3 典型的可展开结构

 

Fig.3 Typical deployable structure

可展开结构的优点是：可以一次运载上行，在轨一次展开即可实现位形要求。由于主要靠机构自动实现展开，无须航天员参与，因此效率高、危险小。其缺点是：展开面积/体积受运载限制，面积/体积越大，对机构要求就越高，一旦机构失效，整个结构将无法展开；机构越多，刚度就越弱；每一套展开机构配备一套展开装置，无效质量大大增加。

根据任务不同，空间桁架结构的形式很多，可能是一维杆式，也可能是平面结构。不同的结构，决定使用不同的桁架单元胞形式。通过胞元在轨周期性拼装的方式构建大型桁架结构平台也是讨论比较多的方式。图 7为典型胞元拼接结构。这种方式要求桁架结构以胞元形式运载上行，在轨逐块拼接，对于大型桁架结构而言，航天员需要在舱外实现搬运、拼装等工作，操作难度大，精度无法保证，刚度较弱。

1.3 可组装结构构建

大型/超大型桁架平台通常选用两种方式组建：先结构、后载荷的安装方式;结构、载荷预先一体化，然后再组装的方式。只有保证了结构的组装刚度、精度，载荷才能发挥其额定功能；只有提高组装效率、精度、减小航天员舱外操作时间，才能最大程度节约成本。而桁架平台的构建，关键在于其主承力结构的构建，主承力结构决定了大型/超大型桁架结构平台的刚度、精度和组装效率。

航天员可以在2个6 h间隔内完成20层的空间桁架结构组装，并进行测试以确定其性能。自动组装直立结构效率较高，精度较高，其缺点是受组装设备影响，仅能组装特定构型，特定长度桁架。

  

图4 机载桁架自动组装设备

 

Fig.4 Airborne truss automatic assembly equipment

图 5为国外某大型通信卫星天线系统的桁架结构支撑大型空间点阵结构。构成空间桁架结构的单根杆组件，为碳-环氧材料。杆组件由两个半杆、一对快速拆装中间接头和两个径向接头组合而成。半杆与中间接头为螺纹链接，中间接头另一端具有均布的齿状特征的簧片，通过两接头的相互啮合，完成有效连接，最终组装成单根杆组件。径向接头位于单杆组件两端，用于与组合接头装配形成桁架组件。典型桁架要素如图6所示。

手动组装桁架结构的优点是：不受组装设备的限制，通过单杆延长，可组装截面包络达10 m量级的大型长桁架结构。其缺点是：由于连接节点较多，刚度较弱，尺寸规格较大，组装效率低，航天员舱外活动时间太长。

在耳鼻喉科中,较为常见的一种急诊是食管异物,如果处理不及时,将会引发多种并发症,甚至对患者的生命安全造成严重威胁。在以往的检查过程中,通常采用电子胃镜、胸片、碘水造影或者食管吞钡[1]。在科学技术飞速发展的背景下,胸部CT三维重建技术得到广泛使用,其可以从客观方面判断食管并发症[2]。本次研究主要针对食管异物患者采用胸部CT三维重建与食管吞钡诊治效果进行分析,现将探究内容以如下报告形式呈现。

1.4 桁架胞元在轨拼接构建

最后，“百家宴”已成为泰顺一年一度的旅游盛事，每年都吸引众多外地游客，这十分有利于当地旅游业的发展，并且能够带动当地经济前进，从而改善民众的现实生活。

  

图 5 考虑低质量、大面积的典型空间桁架结构

 

Fig.5 Space truss structure with low surface density

  

(a)航天员EVA模式装配 (b)机器人自主模式装配

 

图6 典型桁架要素

 

Fig.6 Typical truss elements

  

图7 胞元拼接桁架结构的规律性

 

Fig.7 Regularity of element splicing structure

综合分析，以上四种桁架结构在轨构建方式均可在轨构建10 m以上规模的桁架平台，但刚度均较弱(见表1)。太空增材制造结构尚处于概念阶段，距离实施尚远，目前适合进行基础要素制造关键技术研究。可展开结构组装效率虽高，但由于受整体运载上行及展开装置影响，桁架杆及节点的强度均较弱，仅能用于载荷结构一体化形式，无法在轨提供高刚度的安装平台。对于胞元拼接结构，胞元本身通常已装有载荷，拼接完成后即可形成大型结构、功能一体化载荷，但需要航天员过多参与，且精度不易控制，因此也仅限于理论研究或小规模的在轨组建。而可组装结构的自动在轨构建可以提供刚度、精度较高的桁架平台，但由于是单杆组装、效率过低、载荷需要重建等压力大，并非最佳选择。

 

表 1 典型在轨构建桁架方式对比

 

Table 1 Comparison of typical construction methods of truss

  

结构组装效率刚度航天员参与规模/m可展开结构高弱否10^100太空成形结构极低弱否10^1000胞元拼接桁架结构较高弱是10^100可直立结构较低弱是10^100

可组装结构在轨构建是指将建造桁架结构所需的零件或部件通过运载上行，然后通过手工(航天员舱外操作)或自动方式(机器人自动组装)在轨装配为所需结构平台。可组装结构可以是单个零件的逐个顺次装配，也可以是多个组件模块的顺次组装，是一个由点及线及面的概念。最典型的单杆组装例子当属NASA研制的大型长杆桁架在轨构建技术，如图 4所示，航天飞机机载桁架组装设备，同时飞机内载有大量接头和单杆，可以实现桁架结构的在轨组装。

(2)桁架组具备高刚度自适应锁定装置，保证桁架展开锁定刚度；

2 大型/超大型高刚度桁架平台结构在轨构建新概念

结合四种桁架结构在轨构建方法，寻求一种高刚度大型/超大型桁架结构平台的组装方法，主要包括：

(1)桁架组。收拢状态可运载上行，在轨展开后可成为高刚度直线或圆形桁架梁,。

(2)扩展装置。将收拢状态的桁架组装于自动扩展设备，可实现桁架组的自动展开、锁定，桁架组展开后，可以与扩展装置分离，成为独立的桁架梁；扩展装置可重复实现多组桁架组的展开、分离。

(3)对接接头。可安装于展开的桁架组上，可在轨或地面装配于桁架梁上，用于桁架梁间的对接，形成二维、三维大型桁架平台。

(3)根据不同的大型桁架构型要求，如直线型、弧线型，通过调整参数，使桁架胞元具备同样的展收比，适用于同一套展开装置；

(4)载荷接口。在轨或地面装配于桁架梁上，为载荷单元或二次结构胞元扩展提供安装位置。

桁架平台的组装流程如图 8所示。与之相对应，图 9为大型/超大型高刚度桁架结构平台的组装示意图。

将经济效益函数F1与并网稳定性函数F2进行加权,可把F1和F2多目标问题转化为F3单目标问题进行求解。即

  

图 8 大型/超大型桁架平台在轨组装流程

 

Fig.8 Assembly process of huge truss platform

目前，美国在国际空间站已经开发了当前正用于实验机载的3D打印机。2014年由NASA和美国太空制造公司生产的3D打印机使用塑料线材，能打印原型件和备用小零件。2016年4月，NASA安装了另一台由美国太空制造公司生产的增材制造设备(AMF)3D打印机。该AMF 3D打印机也能制造工具并提供维护，并对第三方开放使用，在太空3D打印物体。俄罗斯计划将这两种材料相结合，最终将小卫星部件组合进行打印。虽然许多3D打印机使用熔化的塑料，但是他们所使用的3D打印机结合了连续碳纤维热塑性复合材料，该复合结构比常规的塑料韧性要强10倍。该项目的成功意味着允许更大的机载试验与目前的3D打印机登上国际空间站，以及直接从轨道上打印新技术或新零件所需的能力。

(1)大展收比桁架胞元，可地面收拢，在轨可靠展开；

师父竟然带着刀！直到这时，青辰才注意到，天葬刀竟一直趴在天葬师的身前。它似乎感受到了主人的杀气，瞳中光华闪烁，像一条急切欲扑羊群的狼。这让青辰知道，师父深夜坐在这里绝非偶然，他早就料到了敌人的到来。

然而那嗡嗡的飞舞声未必都是蜜蜂发出来的，譬如马蜂，发出的声音便和蜜蜂差不多。把马蜂当成蜜蜂的经历，我一直无法忘记。

(4)展开装置不仅具备桁架组自动扩展功能，还应支持桁架组的重复装配、分离；同时，展开装置应同时具备扩展线性桁架组和弧形桁架组的功能；

(5)桁架梁组装接头应具备快速可靠连接的特点。

  

(a)S1/S2-单梁(折叠)装填及自动展开 (b)S3-单梁截取

  

(c)S4、S5-单梁组装 (d)S6-胞元快速填充为大型桁架结构平台

 

图 9 大型/超大型桁架平台在轨组装示意图

 

Fig.9 Assembly sketch map of huge truss platform

综上所述，具备以上5项特点的大型/超大型桁架结构平台组装，即可以提高效率，又可保证精度，还可以满足较大尺寸规格要求。因此是未来开展工作的重点。目前，航天五院总体部已完成部分方案及样机设计工作。

2.2.4 不同处理下整个生长季的草地总载畜量 整个生长季的草地总载畜量DM总载畜量最高，其次为ME总载畜量，DCP总载畜量最低。施肥和补播处理下草地DM总载畜量(246.81和239.80羊单位/hm2)分别比CK增长33%和30%，DCP总载畜量(133.50和124.89羊单位/hm2)分别比CK提高20%和12%，ME总载畜量(210.83和213.22羊单位/hm2)仅比CK高0.2%和1%。说明施肥和补播对DM载畜量的促进作用最明显，对DCP载畜量次之，对ME载畜量无明显促进作用。

图 10为大型在轨服务平台概念图。利用现有运载工具通过单次上行即可实现480 m2大型平台所需要素的运输工作。包括1套展开装置、12组桁架模块。建成后的服务平台，可提供在轨维修维护、补加及能源供给等服务。与传统构建方式相比，可节省质量20%以上。

  

图 10 大型在轨服务平台概念图

 

Fig.10 Concept map of huge on-orbit service platform

3 结束语

大型/超大型桁架结构在轨装配技术对我国未来空间太阳能电站、大型望远镜、大型在轨服务平台等任务具有非常重要的意义。本文通过对现有大型桁架结构在轨构建技术的总结、分析，提出了一种新的大型桁架结构在轨构建概念，通过单梁组装、单梁装填、单梁自动扩展、单梁截取、多梁组装、胞元填充等步骤，可以用一台展开装置完成不同形状桁架梁的扩展，从而满足不同构型桁架平台的在轨组建，大大降低运输成本。通过对桁架胞元、自适应锁定装置、快速对接接头关键点的分析，指出了未来工作的重点，为大型/超大型桁架结构平台的研究指明了方向。

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