田 昀， 姚 旗

（北京卫星制造厂有限公司， 北京100094）

0 引言

随着人类对空间研究、开发与利用的不断深入，各种任务对航天器性能要求越来越高，航天器结构、组成日趋复杂，空间重型、大型结构不断涌现；另一方面，增强性能、延长使用寿命、降低研制和维护成本、减少风险，成为航天器重要发展需求[1]。可在轨维修维护的基于模块化设计思想的航天器是未来发展方向， 因此支持模块化航天器的机电热集成标准接口技术是关键技术之一， 其产品的技术水平和应用能力直接影响着在轨服务操作的难易程度、效果和应用范围。 那么如何实现标准化接口单机产品的预先研究，以此来适应复杂的航天任务需求，就要从系统工程层面进行分析和分解， 以此来实现标准化接口的优化设计来满足通用需求。

1 系统工程

1.1 内涵

航天器系统工程的内涵是把特定空间任务目标的需求转换为最优实现目标的系统， 确保方案的各方面都被充分考虑，并集成为一个协调的航天器整体，一般来讲航天器系统工程是一门科学和工程，也是一门艺术[2]。 航天器系统工程不但是指导工作的一种设计方法更是一种有利于工程工作的思维模式。 这种全局的、自上而下的设计方法不但有利于总体设计师权衡各项总体参数来选择最优解，也同样有益于分系统乃至单机设计师，使其跳出专业局限，拓展思维模式，提升系统性的全面分析能力。 这种思维模式对于单机设计师而言， 应用到实际产品的设计过程中，其效果和收益十分显著。

1.2 单机在航天器系统工程中的定位

就单机产品本身而言在整个航天器系统中处于底层，一般由多个单机组成子系统，由多个子系统组成分系统，再由多个分系统组成系统，多个系统又会组成工程大系统，那么单机一般就成为系统的基本元素，但对于某些特定载荷单机而言，其又可以作为系统的服务对象，因此单机在系统中作为基本元素的定位决定了其不是孤立存在的，一定是与其它单机乃至系统存在物理上或功能上的联系，其设计过程也必然是与其他单机存在耦合关系。

1.3 需求和指标的分析和分解

目前单机的指标获得通常是由总体进行分解， 这种分解一般采用自上而下逐级的“抛过墙”式的分解方法[3]，由工程系统总体提出系统的任务目标及系统级任务指标，“抛”到分系统层面，分系统分解出详细的分系统技术指标并“抛”到单机层面，单机根据指标继续分解各部组件直至分解到制造装配环节， 制造环节根据情况会继续分解到各工序及检测工序， 这种信息传递方式是一种单向的有效的沟通方式，但是，这种分解方式对于“上层”设计师的能力要求很强， 需要不仅对于本层的技术十分掌握，而且对于下层技术也应有相应延伸的了解，才能避免指标传递的不完整。然而，单机设计师与系统总体设计师一般很少见面，很难能够深入理解系统的总体需求，导致单机追求的自身最优设计方案未必是系统的最优解决方案。 当然，为避免这种现象，可以考虑通过协同设计的方法来进行信息传递， 但是协同设计需要多个层面设计师一定时间内集同，成本的代价比较大，通常不会被采用。这种情况下就需要单机设计师能够不断增强对系统了解能力，能够站在总体设计师的角度上考虑问题，对整个单机产品的设计方案提供更优的解决途径。

2 系统工程在标准接口设计的应用

“模块化、系列化、接口标准化”是未来航天器在轨服务发展的方向[4]，其中可服务航天器接口的标准化更是先于模块化和系列化必须解决的关键， 模块化设计的复杂性主要体现在接口设计上。因此，标准化接口的设计是航天器发展的重中之重。

2.1 单机角度考虑接口指标体系

接口单机是用于模块化卫星载荷在轨建立或断开机械、电气、传热的途径的关键单机[5]，能够使多个功能模块（系统模块、载荷模块等）之间通过物理组合形成任务系统。当从单机本身考虑其指标体系时，设计师往往更加关注的是连接时间、解锁时间、容差能力、连接力、连接后刚度、外形尺寸包络、机械接口、功耗、重量、工作环境温度、工作寿命、存储寿命等等。设计师关注这些指标可以用于指导分解出机构、结构的详细设计参数，但这些参数仅从单机/装置本身角度出发，并未在系统级使用层面适度考虑，因此设计出的单机/装置虽然自身“可用”但未必在系统中“好用”。

2.2 系统角度考虑接口设计需求和指标体系

标准化接口单机在轨实现模块化载荷的连接与分离，就势必要满足标准化需求，并且还与推进、姿轨控、结构机构、控制、机械臂等多个分系统存在耦合关系，因此，设计前必须充分考虑多个分系统的综合需求， 对于装置本身的需求和指标体系进行分析、细化和分解，得到更加全面的指标体系。

2.2.1 标准接口的设计需求分析

针对对接技术未来发展、 国际合作和空间救援等现实需求，航天器模块化和接口标准化已经引起了美国、德国、日本、英国等国家的高度重视并开始致力于研究[6，7]，制定了一些可用于指导航天器设计的标准体系[8，9]，最具代表性的是MCB 推出的国际对接系统标准（IDSS）的接口定义文件（IDD）。 参考国际标准，也为后续国际合作提供技术支持， 在标准接口的研究中主要从以下几方面开展工作：

（1）模块化航天器对标准接口的应用需求分析研究。模块化航天器之间相互层次关系及其接口连接需求分析：调研和分析模块化卫星、通用平台、载荷、服务机器人、末端执行器、工具等在轨相互层次关系和连接需求，包括功能、结构、材料和工艺需求等。

（2）不同模块功能、分解策略及其接口标准化需求：研究模块的不同功能，如数据计算和处理功能、整体姿态感知、地面通讯功能、陀螺、电推进、特定任务所需的传感器等载荷对标准接口需求的影响； 研究不同的模块分解策略，如中心模块、推进模块、载荷模块等，对标准接口需求的影响。

（3）模块构型、布局模式及其接口性能需求：研究分析不同模块堆栈、布局模式和构型（如横向拼接、垂直叠加、堆砌成块等）对接口连接形式[10]、接口标准化需求的影响，从载荷质量比、连接可靠性、连接设计难度、模块可扩展性等方面分析各类接口的优劣和应用范围， 建立堆栈、连接形式的最优组合及连接性能。

（4）接口标准化设计准则：针对标准接口功能作用和在轨连接分离方式要求，研究提出标准接口设计准则，保证接口的安全性、空间操作的便利性、容错性、鲁棒性、集成化和一体化[11]。

（5）接口标准化体系构建[12]：从需求层面，全面比较不同轨道、有人/无人/有无人结合、快速响应成本代价、载荷类别异同等维度， 构建接口标准化体系， 包括总体构型、几何物理接口（周边硬件布局、配合机构几何尺寸、周边硬件载荷特性）、覆盖大部分在轨服务任务和设计条件的参考任务和条件的通用设计参数选取。

在研制中不仅要先期对其标准化进行需求分析，设计过程中还要考虑标准接口的性能评价方法建立， 建立接口效果评价指标体系， 确定性能参数对接口效果的定量/定性分析方法。 对于产品还要开展地面模拟装配与测试技术研究，开展机械、电、流体、热性能测试方法研究，分析各种性能相互之间的影响关系，力环境、真空、微重力环境等对接口组合/分离特性的影响；开展接口在轨服务的动作策略、模拟装配技术研究，建立快速装配、集成和测试技术。

2.2.2 结构机构分系统对接口设计约束

接口作为机械的连接结点与传力路径， 需要考虑在结构机构分系统中的作用， 首先要明确在发射时接口单机是否参与承受发射载荷，当参与承受发射过载时，则必须关注机构的抗过载能力设计，采用抗过载机构、结构方案；当不需要承受发射过载时，则更多考虑与其他连接机构配合使用过程，实现两者传力路径解耦设计；在轨工作期间需要重点考虑连接后的界面刚度， 以满足多个模块组装后的整体刚度需要， 同时需要与模块承载结构之间实现传力路径的综合设计； 为满足多自由体在轨组合过程的动力学特性需求， 也需要对整个结构组合过程冲击产生与传递特性给予关注。

2.2.3 机械臂分系统对接口设计约束

模块化载荷及卫星的无人自主在轨操作需要机械臂的全程参与， 因此接口单机与机械臂分系统的耦合不可避免。

（1）容差能力（6 个自由度）是与机械臂系统耦合最直接的指标， 涉及了机械臂在轨操作及测量的精度控制策略反向约束。

（2）由于在导向接触后接口连接的驱动能力约束了机械臂在对接后期的动作策略，机械臂的运动速度、输出力要与接口自身的驱动速度及驱动力进行耦合设计。

（3）由于机械连接过程中电气及液路接口也存在连接力的需求，且力的需求是个动态变化的过程，因此，与机械臂的耦合设计也是变化的过程，当然，分离过程接口的驱动力与驱动速度同样要和机械臂系统相匹配设计。

（4）机械臂的测量系统与接口之间的耦合度更加紧密，如采用基于视觉技术的测量系统需要考虑视场遮挡问题，当采用基于力反馈技术的闭环控制，则需要考虑的力的有效传递途径及精确到位反馈功能。

（5）接口单机通用性及互换性设计需要针对机械臂系统全生命周期的任务开展规划，给予全面考虑。

2.2.4 电源分系统对接口设计约束

各模块间的供电也同样是靠接口来建立通道， 那么与电源分系统耦合设计必不可少。

（1）电接插件的热插拔性可行性决定了整个供电系统的整体方案选取。

（2）电通断过程中引起的浪涌变化也同样是电源分系统所关心的反向约束指标， 而这些参数又与机械机构的运动速度和执行动作策略息息相关。

（3）多次实现在轨反复通断后搭接以及绝缘电阻的变化同样要给出量化的关系， 以便电源系统充分评估整个系统的性能。

（4）真空拉弧放电的防护及抑制也同样是系统所关心的重要性能。 然而上述这些性能往往是单机设计师所容易忽视的， 如果简单的采用传统的接插件的电能传输方案， 对于满足上述的系统需求所需要花费的系统代价很大，而如果能在方案设计初期考虑采用其他方案代替，如触点式及无线传输等新型电能传输方案， 可以降低电源分系统整体的设计难度， 当然在选用的设计方案也需要根据技术成熟度和进度周期等约束来评价， 并非仅在技术角度考虑。

2.2.5 姿轨控分系统对接口设计约束

模块航天器在轨操作与地面不同， 是空间自由体的微重力环境下的组合过程， 对于接口的设计需要充分考虑姿轨控分系统的约束。 当采用两个空间自由体的在轨对接分离的系统方案时（如图1 所示），其方案需要尽量采用“捕获式”类型的超大容差机构方案以减轻姿轨控系统压力； 而当采用同一刚体上的不同模块对接系统方案时（如图2 所示），则可以选用“对接式”的方案以节省包络资源。

图1 空间自由体组装

图2 同一刚体上组装

2.2.6 热控分系统对接口设计约束

标准接口是模块间热传递路径的关键节点， 同样与热控分系统存在耦合关系， 当采用热控工质的热传递方案， 则需要对于接口连接前后的气液路密封性能保证进行重点评估， 以及对流路系统接口处的流阻需要给出明确的指标， 以便热控系统在整体方案设计时给予充分考虑；当系统采用接触热传导方案时，则需要重点关注提升接口接触界面间的热传导系数，这对接口界面的精度、接触面积及接触力有着比较大的约束， 需要在接口装置设计时给予充分考虑。

2.2.7 制造过程对接口设计约束

接口单机本身不但要向上延伸考虑了多个分系统的耦合，更加要向下（制造装配测试等）考虑，实现设计构型及精度的制造可设计性， 满足装调过程中基准选取的可测试性及统一性， 这些约束的综合考虑才能实现最优的方案求解。

3 应用效果

通过方案阶段的系统分析和体系建设， 标准接口研制出了样机并总装成模块， 根据某项目需求搭建了地面演示验证系统， 结合空间机械臂进行了平台的在轨系统部分单元的搭建，其中包括电源分系统、热控分系统、遥测遥控分系统等多个主要有代表性的分系统， 并通过模拟空间对接和组装工况进行了演示试验验证， 试验证明了各分系统机械连接简单可靠，电源、信息、气液能源传输效果良好，能够满足空间模块构建航天器的基本需求，以此说明模块化标准接口的研制实现了工程目标， 可为后续同类技术产品的研制提供工程参考经验。

图3 模块化航天器地面模拟组装试验

4 结束语

标准接口作为模块化航天器在轨重复连接分离的关键部件， 是一种典型的与多个分系统有耦合关系的单机产品，其任务多工况复杂分系统覆盖广，采用系统工程的思维方式来对其进行需求分析和指标体系建立， 通过样机研制和试验验证表明，产品原理可行，能够满足在轨可重复连接分离需求， 同时可以实现各分系统对标准接口的功能需求， 并能够适应与之协调操作的机械臂等分系统的现有能力， 做到了即继承成熟技术又体现了机电信液一体化功能的技术创新性， 以此说明系统工程设计方法的有效性和实用性。同时以标准接口设计实例为参考，对后续同类技术的机构产品设计提出以下建议：

重点把关产品的设计初步方案， 从系统层面分析将其功能性能细化，确定设计原则，找出优化路径，确保后续详细设计工作的有效性，保证并缩短研制周期。

注重机电热一体化设计技术，跟踪国际高科技发展，跨界整合资源，提高机构专业技术水平和竞争能力。

以提高航天器系统最优设计为目标， 分析和均衡各分系统需求和指标的优化，从而折中航天器系统自身的优化，切实做到减少多余强度、刚度和重量的设计，真正做到产品的功能实现和降低研制成本，提高设计可靠性。

进一步提升设计人员的综合设计能力， 发展综合性人才，做到系统设计到单项技术研究，从试验技术到工艺设计等全面技术发展， 这样才能实现新技术新产品的加速研发和产品设计的标准化，从而有能力领跑国内技术，加入国际市场，达到战略合作的目标。