新型空间站舱外巡检维修装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种新型空间站舱外巡检维修装置（Emu)，属于航天飞行器设计领 域。
【背景技术】
[0002] 空间站在轨道上运行期间受空间环境的作用和影响，或者因本身设备的故障、操 作失误或人的行为的原故，会引发诸多空间站事故和故障，如火灾、减压、失控、翻滚、通信 中断、水污染、机械损伤、航天员失常、电击、爆炸等等。空间站长期在轨稳定运行，离不开 航天员的在轨维修。航天员需要定期和不定期的对空间站进行预防性维修和恢复性维修， 其中舱外维修对维修设备以及航天员的要求非常高，舱外维修不仅加大了航天员的维修难 度，而且航天员自身的安全存在很大的风险。在这些维修工作中，机器人等系统起到了很大 的作用，但目前机器人系统的自动化水平还不足以替代人来执行舱外活动，因此还需要考 虑其他设备来辅助维护。所以近年来，国际上将大量人力、资金投入到空间站舱外巡检维修 装置的研发，如空间站伴随卫星等。空间站舱外巡检维修装置可以减少航天员出舱的次数 和时间，从而一定程度上减少了航天员的安全风险。采用空间站舱外巡检维修装置具有成 本低、可靠性高以及工作周期长的优点，因此具有不可替代性。
[0003] 国外已有多个具有空间站舱外巡特点、任务和功能的航天器一一伴随卫星的研究 和发展计划，已研制出类似的航天器并发射上天。比较典型的、具有空间站舱外巡检维修装 置功能的研究和发展计划有：以德国为首的X-Mirlnspector伴随卫星、美国的XSS飞行器、 AERCam微小卫星、轨道快车和"太空盾牌"、Livermore微小卫星、法国CNES天文观测任务、 德国的TerraSAR-X雷达卫星计划、SSFTS遥控机器人装置及徘徊者遥控机器人飞行试验计 划等。这当中尤以Inspector计划最为著名。与此同时，西欧、日本等国家也正在加紧空间 站技术的研究。1997年10月，美国航天局发射释放了仅重5千克的AERCam纳米微小卫星。 释放后的纳星由自带电池供电，冷氙气推进，可由航天员在舱内遥控操作调整姿态和喷气 变轨，或在航天员监视下自主飞行。它可以对航天员和航天飞机进行几个小时的近距离视 频和照相观测。该项目主要用于实验微小伴星对主航天器的表面检测、自主对接和在轨回 收等技术，回收充电后的微小伴星可以多次使用。XSS-11卫星于2005年4月发射，重145 千克，具有成像和机动能力。它开展了自主交会试验，其主要应用目标包括近距离检查飞行 器的状态、协助地面人员对在轨卫星进行综合诊断、监视空间目标、实现太空飞行器燃料补 给操作。2007年3月，美国将两颗名为"轨道快车"的小型卫星送入轨道。该卫星总重不到 1吨，具备很强的机动变轨能力，可以通过轨道机动进入其他卫星的运行轨道，卫星带有高 度自动化的机械手臂，初步具有替代航天员在太空完成太空维修作业的能力，甚至具有"太 空捕星"能力。
[0004] 我国神舟七号微小伴随卫星采用两舱一体化结构设计，整星质量不超过40千克， 同时具有光学成像、大容量压缩存储、机动变轨、伴随飞行、自主导航、多模式指向和高速数 传等多种功能。伴星电源子系统运用直接能量转换的全调节母线系统，采用了平均光电转 换效率大于26. 5%的三结砷化镓高效太阳能电池。推进系统采用以液氨为推进剂的液化气 推进系统。伴星上安装了星载GPS接收机，可实现自主导航功能，也可以接受地面注入的轨 道数据。另外还安装了一台USB测控应答机和一台数传机。伴星在释放过程中获得的载人 飞船不同方位清晰图像和视频，验证了微小卫星对大型载人航天器的多方位照相和观测技 术；首次开展并实现的对无源轨道目标的绕飞技术试验，突破了微小卫星轨道机动和对共 面目标的接近、绕飞和保持等关键技术。
[0005] 文献《航天员舱外作业动力学建模与仿真方法研究》介绍了国外空间站在轨维修 的一些相关情况，重点对国外空间站在轨维修方式、维修级别、维修类型以及维修时间进行 了分析，通过对国外空间站在轨维修策略的分析，给出了对我国开展空间站在轨维修的一 些启示。文献《国外空间站在轨维修策略研究及启示》从航天员舱外太空作业的物理背景 入手，讨论其研究难点，在深入分析现有研究的基础上，提出一套支持航天员舱外作业动力 学建模与仿真的方法，并通过一个航天员搬运载荷的例子验证了其可行性。文献《空间站的 维修性》阐述了在轨维修技术对空间站的重要作用，并在初步分析空间站维修性的需求和 可行性的基础上提出了空间站维修性设计的思路、方案及支撑技术，通过对NASA和俄罗斯 的空间站维修策略进行比较，结合我国空间站建设的现状，设想性地给出了我国空间站的 维修策略。
[0006] 目前国际上空间站的巡检通常采取宇航员出舱人工巡查的方式，此种方式持续周 期短、风险高，且存在死角。如果能设计出一种由空间站多次回收释放，且可对空间站进行 绕飞、任意点悬停的舱外巡检维修装置EIMU (Extravehicular Inspection Maintenance Unit)，就能避免上述问题，为空间站的安全增加一种新手段。
【发明内容】
[0007] 针对空间站安全监测，目前国际空间站通常采用宇航员出舱进行人工巡查，此种 方式持续周期短且宇航员的安全存在较高风险，本发明提出了一种新型空间站舱外巡检维 修装置（E頂U)，为我国未来空间站提供一个通用、低成本、低风险、长期高可靠的非接触式 安全监测手段，减少宇航员出舱次数，保障宇航员的生命安全以及航天器的安全。
[0008] 本发明为解决其技术问题采用如下技术方案： 一种新型空间站舱外巡检维修装置，包括舱内监视设备、天线和舱外Emu装置，其中 舱内监视设备和舱外EMU装置通过天线进行通讯； 所述舱内监视备包括视频显示终端、巡检装置操控平台和手动遥控装置，所述视频显 示终端实时显示E頂U拍摄的画面；所述巡检装置操控平台用于控制E頂U的释放、回收以 及能量和数据传输；所述手动遥控装置主要操控E頂U近距离绕飞、悬停以及微机械臂的动 作； 所述舱外EMJ装置包括太阳能电池板、微机械臂、太阳敏感器、氮气推进器、双目立体 视觉相机、三轴磁力矩器、动量轮、星载计算机板和通讯板，所述双目立体视觉相机，对空间 站进行特征提取以及三维建模；所述太阳能电池板，对E頂U供电；所述微机械臂，完成对空 间站舱外故障的简单维修；所述太阳敏感器，用于Emu的姿态测量；所述氮气推进器，用于 E頂U的轨道控制；所述三轴磁力矩器用于E頂U的姿态控制；所述动量轮，给E頂U提供恒定 角动量并对磁力矩器进行卸载；所述星载计算机板，用于Emu导航解算等；所述通讯板，用 于emj通讯。
[0009] 所述太阳能电池板为4块。
[0010] 所述微机械臂为基于Arduino控制的可伸缩微机械臂。
[0011] 所述太阳敏感器为2个。
[0012] 所述氮气推进器为12个。
[0013] 本发明的有益效果如下： 本发明能够为空间站等大型航天器提供舱外巡检维修服务，保证航天器在轨运行安 全，顺利完成任务。
[0014] (1)采用双目立体视觉相机，能够实现相对姿态、位置测量，同时通过视频处理技 术，对空间站进行特征提取以及三维建模。
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