多功能服务转移飞行器装置的制作方法

本发明涉及一种新型的多功能服务转移飞行器装置，可用于空间在轨服务，其具备支持有人维修、无人维修、在轨补加、轨道转移等能力，具备两端对接能力，可同时与两个飞行器进行对接，形成三器组合体飞行，可执行多目标、多轨道、多任务的在轨服务。

背景技术：

在轨服务是指在空间通过人、机器人或两者协同完成涉及延长各种航天器寿命、提升任务执行能力的一类空间操作。目前，世界上针对在轨服务的技术研究和产品研发进入了一个新的阶段。

迄今为止，最为成功的在轨服务维修任务是对哈勃望远镜的维修以及基于国际空间站的在轨维修任务，此两次任务均为无人维修任务，航天飞机是最主要的航天器。其任务执行主要以有人操作为主，配以机械臂进行空间航天员和货物的转移。

除了有人维修之外，美国无人在轨维修主要包括轨道转移飞行器、轨道快车、通用轨道修正航天器(Spacecraft for the Universal Modification of Orbits，以下简称为SUMO)服务航天器以及凤凰计划等。

轨道转移飞行器美国Microconsm公司根据美国宇航局(National Aeronautics and Space Administration，以下简称为NASA)的合同正在进行的一项研究，内容是研制能够为国际空间站(International Space Station，以下简称为ISS)提供在轨补给和维护的小型多功能轨道转移飞行器，轨道运输飞行器(Orbit Transfer Vehicle，以下简称为OTV)的用途可概括如下：(1)为具有适当技术状态和设计特征的航天器进行在轨维修或在轨补给：(2)使用OTV将卫星送往其目标轨道或轨道上的预定位置；(3)重新捕获卫星并将其部署至新的轨道；(4)捕获失效的卫星并为之提供使其脱离轨道的推力；(5)通过编队飞行或绕飞，对其他航天器进行抵近观察；(6)为ISS的运行提供补给，或是简单地为ISS清除垃圾。

轨道快车计划是美国国防部高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency，以下简称为DARPA)于1999年提出的一项重要的技术演示验证计划，其主要目标是开发和演示验证卫星在轨燃料补给和维修技术，从而延长卫星寿命，扩大卫星应用范围。

SUMO服务航天器由DARPA支持、海军研究实验室(Naval Research Laboratory，以下简称为NRL)主要负责，其主要是利用机器视觉、机器人、机构、自主控制算法等技术，验 证自主交会对接、抓捕未来卫星各种不同类型接口的服务操作能力。可以实现对卫星的在轨部件更换，燃料加注，保持目标航天器轨道位置和姿态以及轨道修正等任务。

“凤凰”计划(Phoenix)是由DARPA提出了，旨在拆卸失效卫星的有用部件在轨组装新卫星，同时通过轨道转移和部件拆卸，解决逗留在墓地轨道的死亡卫星(亦称空间垃圾)的利用问题。

在欧洲，欧空局(European Space Agency，以下简称为ESA)于1994年前后提出了地球静止轨道服务飞行器(Geostationary ServiceVehicle，以下简称为GSV)的概念，主要用于对地球静止轨道卫星的在轨监测和服务功能，可执行如下三种类型的服务功能：视觉监测；机器人操作；废弃卫星的离轨。由于种种原因，GSV并没有进入实际工程阶段，而仅开展了概念设计，该项目于1997-1998年间停止。

空间系统演示验证技术卫星(technology satellite for demonstration and verification of a servicing system，以下简称为TECSAS)项目是德俄合作的空间机器人项目，其旨在为高级空间维修和服务，特别是对接和基于机器人的捕获过程验证空间机器人软硬件关键技术。TECSAS由空间机器人系统(服务星)和用于演示的目标星组成，其中，服务星和目标星的基础模块采用俄罗斯的多功能轨道推进平台，服务星的7自由度机械臂采用的是德国的机器人技术。

执行在轨服务，需要与目标飞行器交会对接、形成组合体。交会对接可以利用交会对接机构，也可利用手爪捕获机构等装置。目前美国、俄罗斯、中国等航天大国均已具备了交会对接技术。

国外围绕载人航天任务，已完成多次交会对接飞行任务。

美国首次交会对接是在1966年3月，利用发射双子星座号飞船的第三级火箭阿金纳作为目标航天器，双子星座8号飞船作追踪航天器，实现两器交会对接。

空间交会对接技术在美国阿波罗计划中得到了工程实践和发展。阿波罗飞船登月往返飞行一趟，需要在空间进行两次交会对接。从1969年7月16日成功发射阿波罗11号飞船到1972年12月止，美国相继7次发射阿波罗登月飞船，其中6次登月成功，执行了多次交会对接任务。

美国继阿波罗飞船登月以后，在1973年5月14目又成功发射了天空实验室Skylab，这是美国第一个实验性空间站。为了运送和接回空间站的航天员，美国同年先后发射了3艘阿波罗飞船与天空实验室进行交会对接。

近年来美国开展轨道快车任务。轨道快车卫星服务演示计划将发射一对卫星ASTRO (autonomous space transfer and robotic orbiter)和NextSat(next generation satellite)，重点突破利用交会对接技术的卫星在轨服务技术。

前苏联发展交会对接技术是1967年10月，不载人的宇宙186和宇宙188进行了世界上第一次无人航天器自动交会对接。

前苏联载人航天器的交会对接，首次是联盟4号和5号飞船开始实现的。1969年1月14日，苏联发射载有沙塔洛夫的联盟4号飞船升空，1月16日与联盟5号对接成功。对接后，联盟5号飞船上的航天员阿·斯·叶利谢耶夫和依·弗·赫鲁诺夫身着舱外用航天服太空行走到弗·阿·沙塔洛夫乘坐的联盟4号飞船上。

1971年4月19日，前苏联首次发射了世界上第一个空间站-礼炮1号。这个空间站曾经有联盟10号和联盟11号两艘飞船与它对接。到1982年4月19日，前苏联成功发射礼炮7号为止，总共发射了9个空间站，即礼炮1号到7号，以及宇宙557号和宇宙1443号两个航天器，从礼炮1号到礼炮5号属于第一代空间站，称为实验性空间站。这种空间站，只有一个对接口，是单模块的，无法进行专门补给。从礼炮6号到礼炮7号为第二代空间站，称为简易空间站。这种空间站，相对于第一代，主要改进是在单模块的舱段上有两个对接口，其中一个对接口用于供应燃料和必需品的不载人货运飞船——进步号的对接。前苏联在第一代和第二代空间站的先后11年期间进行的交会对接活动不下70次。

随着国际空间站的建成与运营，围绕着国际空间站的交会对接飞行十分频繁，飞行器包括联盟号飞船、航天飞机、龙飞船等多个飞行器。

从世界各国的发展来看，目前进行在轨服务的成功案例是有人维修任务，主要是基于航天飞机的哈勃望远镜维修和空间站维修，尚无一个飞行器可同时支持有人维修任务和无人维修任务，且在轨服务飞行器服务任务单一，能力较弱。此外，目前可执行交会对接的飞行器均为只具备与一个飞行器对接的能力，即飞行器只安装一个对接机构，可以与一个目标飞行器进行对接，形成两器组合体状态飞行，尚未出现一个飞行器可以同时与两个目标飞行器进行对接，形成三舱组合提飞行的飞行器装置，更没有飞行器具备同时与合作目标和非合作目标进行交会对接的能力。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种新型的多功能服务转移飞行器装置设计方案，在同一飞行器上同时配备了支持无人在轨服务和有人在轨服务的装置和系统，具备执行多种服务任务、服务多个目标、支持多种类型的能力。其中，首次在飞行器的两端安装两个对接机构，形成一个两端具有两个对接机构的独特飞行器，可同时前后与两个飞行器 进行对接，形成三舱组合体飞行状态，在飞行器一端还装备了手爪捕获机构，可同时与合作目标和非合作目标进行交会对接。对后续开展在轨服务飞行器设计与研制具有重要参考价值。

本发明提供了一种多功能服务转移飞行器装置，用于执行多目标、多轨道、多任务的在轨服务，该装置包括：飞行器主体；以及两个对接机构，分别被安装在飞行器主体的两端，其中，飞行器主体通过两个对接机构与前后的两个其他飞行器相互对接，从而形成三舱组合体飞行状态。

其中，两个对接机构为周边式的并且相对于飞行器主体成对称式分布。

具体地，多功能服务转移飞行器装置具有大机动能力，并且对接机构用于与两个其他飞行器相互对接，从而同时转移两个被服务的目标飞行器。对接机构用于与其他多功能服务转移飞行器装置的对接机构前后对接以形成分级式转移飞行器组合体，从而为被服务的目标飞行器提供大速度增量。在本发明中，多个所述多功能服务转移飞行器装置采用的是串行对接方式。

额外地，本发明的多功能服务转移飞行器装置还包括：手爪捕获机构，位于飞行器主体的一端，用于飞行器主体同时与合作目标飞行器和非合作目标飞行器进行交会对接：机械臂，具有7自由度，具有爬行能力，用于航天员、机器人、货物的转移以及非合作目标飞行器的抓取，从而执行无人在轨维修操作和人机联合在轨操作任务；密封舱，具有贯通式设计，用于提供密封功能并配置有气闸舱和密封通道；一整套环控生保系统，用于支持航天员的在轨飞行；气闸舱、出舱舱门、泄复压装置，用于支持航天员出舱活动，从而实现航天员的在轨服务操作；机器人，为拟人型机器人装置，具备双灵巧臂和双灵巧手，以执行拆卸、安装的精确作业任务并配合航天员完成复杂空间维修作业。

在本发明中，手爪捕获机构为三臂装置并且用于当与非合作目标飞行器进行对接抓捕时，对通过机械臂抓取的非合作目标飞行器进行机械紧固，从而形成组合体，其中，位于手爪捕获机构对向端的对接机构同时与合作目标飞行器对接，从而飞行器主体同时与非合作目标飞行器和合作目标飞行器相连接的三舱组合体，以增强对被服务飞行器的状态适应性。

密封舱的两端与两个对接机构相连，从而通过对接机构与其他具备密封舱结构的飞行器相连，以形成多舱密封连接体。其中，机器人通过其机械接口与机械臂相连。

因此，通过本发明的多功能服务转移飞行器，可服务于低轨、中轨、高轨乃至深空探测等多个任务，多个服务转移飞行器前后对接形成的分级式飞行器组合体可以满足空间任务中对大速度增量的需求。通过前后对接方式，服务转移飞行器可以同时对两个其他飞行器实施轨道转移，从而大幅度提升轨道转移能力。前后贯通密封舱的设计，通过对接可以形成较大 利用空间，从而满足空间任务中航天员对密封空间的需求。

附图说明

图1是本发明的多功能服务转移飞行器装置的设计概念图；

图2是本发明具体实施方式所涉及的多功能服务转移飞行器装置与合作目标两端对接形成的三器组合体的概念图；

图3是本发明具体实施方式所涉及的多功能服务转移飞行器装置同时与非合作目标、合作目标对接形成的三器组合体(具有机械臂)的概念图；

图4是本发明具体实施方式所涉及的贯通式密封结构的设计示意图；

图5是本发明具体实施方式所涉及的机械臂捕获飞行器的概念图；以及

图6是本发明具体实施方式所涉及的机器人的概念图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的新型多功能服务转移飞行器装置在同一飞行器上同时配备了支持无人在轨服务和有人在轨服务的装置和系统，具备执行多种服务任务、服务多个目标、支持多种类型的能力。本发明首次在飞行器的两端安装两个对接机构，形成一个两端具有两个对接机构的独特飞行器，可同时前后与两个飞行器进行对接，形成三舱组合体飞行状态，在飞行器一端还装备了手爪捕获机构，可同时与合作目标和非合作目标进行交会对接。对后续开展在轨服务飞行器设计与研制具有重要参考价值。

下面结合附图2-6及具体实施方式对本发明进行详细说明。

首先，多器组合体连接装置设计。其中，服务转移飞行器具备与其他飞行器形成组合体的能力。

接下来，介绍与多功能服务转移飞行器装置两个合作目标的对接设计。

服务转移飞行器可同时与两个合作目标进行对接，形成组合体。服务转移飞行器采用了前后两端设有两个周边式对接机构1、2的设计，成对称式分布。飞行器可通过两个对接机构同时与前后两个飞行器进行对接，形成三器组合体飞行状态(如图2所示)。多功能服务转移飞行器具备较大的机动能力，因此通过前后对接机构与两个飞行器对接，可以实现同时转移两个被服务目标飞行器的目标。此外服务转移飞行器也可以通过前后对接，形成分级式转移飞行器组合体，为被服务飞行器提供更大的速度增量。

另外，多功能服务转移飞行器装置还可以同时与合作目标与非合作目标对接。服务转移飞行器在一端设有一个手爪捕获机构3。如图3所示，手爪捕获机构3为一个三臂装置，当 与非合作目标进行交会对接时，可以通过机械臂抓取，利用手爪捕获机构进行机械紧固，形成组合体状态，同时另一端对接机构可以与合作目标飞行器对接，形成一种特殊的、同时与非合作目标和合作相连接的三舱组合体形态，这种设计极大地增强了飞行器对被服务飞行器的状态适应性。

接下来，介绍多器密封贯通装置的设计。服务转移飞行器是一个具备支持有人任务的飞行器，因此，飞行器设有具有密封功能的气闸舱21和密封通道20。在密封系统设计上服务转移飞行器采用如图4所示的密封舱贯通式设计，密封舱两端与两端对接机构相连，通过对接机构与其他具备密封舱结构的载人飞行器相连，形成多舱密封连接体，从而有效增大密封空间，为航天员的居住、工作提供更加舒适、更加便捷的空间条件。

最后，多功能服务转移飞行器装置是具有有人与无人相结合的服务系统。其中，服务转移飞行器装置在支持在轨服务上采用了有人与无人相结合的在轨服务系统设计。服务转移飞行器装置配备了一个密封舱和一整套环控生保系统，可支持航天员的在轨飞行，同时配备了气闸舱21、出舱舱门19、泄复压装置等可支持航天员出舱活动的系统，可实现航天员的在轨服务操作。

如图5所示，在飞行器上同时配有机械臂4、机器人9等设备，可进行无人在轨维修操作和人机联合在轨操作任务。机械臂具备7自由度，具备爬行能力，可用于对航天员、机器人、货物设备的转移，用于非合作目标的抓取等。

如图6所示，机器人9为一个拟人型机器人装置，具备双灵巧臂13和双灵巧手14，可执行拆卸、安装等精确作业任务，并配合航天员完成复杂空间维修作业，机器人9通过机械接口15与机械臂4相连。

综上所述，采用本发明，能够用于服务低轨、中轨、高轨乃至深空探测等多个任务，多个服务转移飞行器前后对接形成的分级式飞行器组合体可以满足空间任务中对大速度增量的需求，并且通过前后对接方式，服务转移飞行器可以同时对两个其他飞行器实施轨道转移，从而大幅度提升了轨道转移能力，而前后贯通密封舱的设计，通过对接可以形成较大利用空间，满足了空间任务中航天员对密封空间的需求。

本发明中未说明部分属于本领域的公知技术。