深空探测航天器的可重构性设想

sunflower2018

2018年中国空间技术研究院神舟学院的“深空探测技术概论”课程已经讲解过半，学生们针对载人深空探测任务进行了创新性设计构想，现摘录一些学生的优秀作业与读者分享。（注：已经作者授权。）学生们的作业或许稚嫩，或许不成熟，但都代表了他们对未来的思考。

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摘要：传统空间技术当中，大部分航天器都针对固定的任务需求设计几乎固定的系统构型，并以最高的操作性能为目标进行系统优化。然而，在未来的载人深空探测任务当中，除了要提高航天器的操作性能以外，还需要在有限资源的约束下进一步探索新的设计方法来提高航天器的功能效率、可拓展性以及生存能力。可重构性是提高这些能力的一种新的系统设计指标。可重构的航天器系统可以根据任务需求的改变、外部环境的改变或者是故障等因素引发的系统模型的改变，通过重新构造系统的硬件配置或软件算法，来调整已有的功能或制定全新的功能。这样的系统可以通过充分利用一套既有资源来实现多个功能，从而降低任务成本。因此，本文结合月球、火星等深空探测任务，对未来航天器的可重构性进行了初步设想。

关键字： 深空探测，可重构性，功能变化，环境变化，故障

1. 引言

    深空探测航天器由于飞行距离远、任务时间长、目标功能复杂等原因，需要装载大量的燃料、载荷等物资；此外，为保证系统的安全运行，还需要配置一定的备份冗余。然而，受运载能力的限制，航天器可以搭载的资源十分有限，系统质量与体积受到严格制约。因此，亟需提高深空探测航天器的资源利用效率与自主生存能力。

    可重构的航天器可以根据不同的功能需求，通过选用相同部件的不同构型或不同组合形式来完成不同时段内的不同任务，由此充分利用有限的星上资源、减少所需的部件数量，从而降低航天器的质量与体积、减轻运载压力。此外，不同任务之间部件的通用性使得航天器的在轨维护和功能扩展变得更加更容易。由此可见，可重构性是未来深空探测任务中一个具有重要工程实际意义的研究方向。

    重构的主要目的为：使航天器适应各个任务阶段功能需求的变化、故障的发生以及不同外部环境的影响。此外，重构的方式不唯一，例如：改变部件安装构型、改变部件组合形式、改变软件算法等等。本文以上述三种不同的重构目的为出发点，结合不同的重构方式，对未来深空探测航天器在功能变化、不同环境以及系统故障下的可重构性进行初步设想。

2. 功能变化下的可重构性

    在设想功能变化下的可重构性时，我们不妨假设这些功能不是并发操作。未来，月球和火星等深空探测工程需要完成的预期任务有很多。以星体表面登陆任务为例，为了具备长期的表面运动与驻留能力，该任务需要包含以下元素：栖息舱、着陆器/返回器、巡视器、全地形巡视器，参见图 1。假设任务中的所有元素不同时进行操作，例如着陆器/返回器和巡视器在整个任务过程中分别段执行任务，不需要在相同时间进行操作。

    由于多种表面任务的需要，全地形巡视器也分为很多种。

    首先考虑这样一个表面操作场景：假设5名机组成员降落在行星表面，利用一辆车开展基地建设操作。这种车辆的拖曳和货物承载能力必须要大。然而，由于在操作时需要一定的精确度（特别是各种表面模块需要连接在一起时)，它的驾驶速度相当缓慢。此外，因为基地模块在行星表面的距离较近（相隔几百米或几公里），所以这种车辆在重新加油前的行驶范围也不大。

    在建立基地后，宇航员将开始他们不同里程的探索阶段。短程旅行不需要离开基地太长时间，运输的车辆可以搭载一名机组人员以及一些设备和工具。这类车辆装载货物的容量不需要很大；然而，它的最高速度和行驶范围需要高一点。对于远程旅行，宇航员需要离开基地几天时间，将使用一个行星露车为 2 名宇航员提供了一个可以居住几天的加压、宜居的空间。在每一个远程旅行过程中，露营车将由一个足以将其拖至露营点的敞篷车牵引。此外，还需要一辆敞篷车侦察地形。一旦到达露营点，露营车将会被停下，两辆敞篷车将继续勘探周边地区。勘探完毕以后，露营车将被牵引回主基地。

    基于上述场景，可以有两种敞篷车辆系统。第一种有三类车型:

    •基地建设车辆(SPV)：用于运输并放置基地模块、栖息舱、着陆器等。

    •远程牵引车辆(LHV)：用于将一辆露营车牵引至行星表面的各个位置。

    •宇航员运输车辆(ATV)：用于高速、长距离的表面探测任务。

    图 2 显示了上述三种类型的车辆在表面探测任务场景中的运行时间线。假设表面勘探作业由两组队伍分别在给定的时间内进行，每组两位宇航员。每个团队需要一辆露营车和两辆 LHV 开展勘探任务。此外，还需要一个人留在基地进行维护，这要使用一辆ATV。除了露营车（这不是可重新配置的元素），这个任务场景总共需要 6辆敞篷车：1辆SPV、2辆LHVs、3辆ATV。



    第二种敞篷车辆系统采用一组可重构车辆。这些可重构车辆可以在不同状态之间进行配置或变形，从而在给定的时间内适应 SPV、LHV 和 ATV 分别对应的三种功能需求。针对这种可重构车辆系统，只需要 5 辆可重构的车辆来完成上述的表面操作场景。驻留基地的人使用一辆，两个勘探小组分别使用两辆。这比第一种由 6 辆组成的敞篷车系统节省了一辆车，减轻了运载压力。

    更或者，可以用一辆可重构的车分别完成1辆 SPV、1辆LHV 和1辆 ATV的功能任务。参考文献[1]可知，1辆SPV、1辆LHV和1辆ATV的总质量是985千克，而一量可重构车辆的质量仅为317公斤。所以单纯从节省质量的角度来说，以一个可重构元素来完成多个功能任务的能力，对航天系统而言显然是非常有益的。基于这种思想，可以大大提高在空间系统中，质量和体积资源十分的珍贵，被运送到行星表面的每公斤质量都应该被视作一种资源，而不应该被局限于某种单一的功能下。只要有可能，应该设计一种适用于某一范围功能的系统架构，这样可以最大化利用一组固定的物质，提高航天系统有限资源的利用效率。

3. 不同环境下的可重构性

    可重构思想还可以使航天器更好地适应外部环境的变化。以未来的火星探测任务为例，载人行星表面车（PSVs）可能需要穿越特未知的地形地貌。火星机器人的任务表明，甚至在小半径的探索范围内，火星表面土壤的条件差异都很大。 2005 年春天，火星探测器之一机遇号，由于一个未预料到的土壤条件变化，在执行任务的过程中被卡在了沙丘里（如图 3）。花了五个星期的艰苦操作才将六个车轮全部撬出。为了防止车轮陷入泥潭，在细软沙地行驶的车轮并不一定要与在坚硬土壤中行驶的车轮配置相同，后者主要以能耗最小为目标，而前者还得预防沙土沦陷。可重构的行星表面车（PSVs）在进行勘探任务时能够应 对不断变化的地形，确保必要的牵引能力。



    车轮尺寸影响牵引力和力矩，对于一个给定负载容量的车辆，通过改变车轮宽度和直径可以调整合成的牵引力和力矩。因此，为了同时提高牵引力性能和能耗效率，可以引入可重构行星表面车的理念。这样的行星表面车可以在一定范围  之内改变车轮宽度或直径。最近已经有了一些直径可重构的车轮概念，如图 4 所示。这种车轮采用可移动的胎面，中间的轴承盖沿一个活塞向外移动，使其辐条像汽车千斤顶，从而实现直径的变化。

    在设计行星表面车时，我们希望其牵引力越大越好，所需力矩越小越好（所需力矩越小，对应能耗越小）。然而，牵引力越大对应的车轮直径越大，所需力矩越小对应的车轮直径越小，因此，二者是相互矛盾的，需要根据实际任务需要进行权衡。在细软沙土地形中，为了保证车辆的安全， 需要较大的牵引力，以防车轮陷入沙土，此时应该采用较大的车轮直径；而在坚硬土壤中行驶时，应该以能耗最小为主要目标，所以应该较小车轮直径，从而降低所需力矩。在执行空间任务的过程中，外部环境的变化会改变我们对航天器的性能要求。根据变化的环境特征，设计一种随环境调整的可重构航天系统，可以提高航天系统的灵活性与安全性。



4. 系统故障下的可重构性

    要实现安全自主运行，航天器必须具备自主故障诊断与控制重构的能力。故障是妨碍航天器安全运行的一大因素，由其引发的航天灾难在好莱坞大片中屡见不鲜，这不仅仅是存在于科幻电影中的情节，更是航天工程在实际发展过程中面临的严峻问题。航天器所处的太空环境十分恶劣，太阳活动、微小流星、太空垃圾等都会给航天器  带来麻烦甚至是致命的伤害。此外，随着功能的多样化，航天器的规模复杂度日益增加，这也大大提高了故障发生的概率。因此，必须提高航天器的自主故障诊断与控制重构能力。如何提高航天器的自主诊断与重构能力？目前，主要通过优化诊断与重构方法来实现。然而，诊断与重构方法只是提升系统故障处理能力的后天因素，受航天器自身特性的严重制约。

    航天器有别于一般的系统：一方面，受运行条件的限制，它无法像飞机一样进行定期的保养与维护，  也无法在故障以后进行直接的维修；另一方面，受运载能力的限制，它的可用资源严重受限（包括计算资源、硬件资源以及能量资源），很多先进的诊断与重构方法无法在轨实现。因此，需要在资源有限且不可维修等限制条件下，从根本上提升航天器自主诊断与重构的先天能力，将工作重点前移至系统的地面设计阶段。针对有可能发生故障的航天器控制系统进行可诊断性与可重构性优化设计，可以提高既有冗余的配置效率，从系统层面弥补航天器固有可靠性不足、星上资源受限以及在轨故障不可维修等缺陷，是从根本上提高航天器控制系统自主故障处理能力的一种有效途径。具体的优势可以概括如下：

    1) 识别系统薄弱环节：增强航天器的健壮性；

    2) 优化冗余分配效率：提高星上资源利用率；

    3) 降低控制算法难度：节约有限的计算资源；

    4) 避免过度冗余设计：减轻航天器运载压力。

    定义未进行任务执行的元素为“闲置元素”， 反之为“运行元素”；此外，还有一些为了保证系统可靠性所配置的冗余，这里称之为“备份元素”。 当“运行元素”的某些部件发生故障时，这些“备份元素”首先被利用。如果没有新的“备份元素”， 那么在非并行操作的假设下，“闲置元素”的一些通用部件可以被“借用”到发生故障的“运行元素”中去。出于技术难度考虑，元素之间的部件交换  不是经常发生；然而，出于任务的成功执行考虑，它可以作为挽救任务的最后手段。

    现有的很多系统设计当中，每个功能元素都采用专用部件并配备相对应的专用备件，当这种系统的某一个“运行元素”发生故障时，那么只能从备件存储库中选用为这个特定元素而设计的专用备件，如图 5。然而，若对系统进行可重构性设计，在不同元素之间使用可重构或通用部件，则当某个“运行元素”发生故障时，不仅可以从备件存储库内选用备件，还可以向“闲置元素”来“借  用”部件，如图 6 所示。



    考虑可靠性与操作难度等因素，只有当备件存储库中没有可用的备件时，才考虑拆用“闲置元素”中的部件。备件存储库的库存水平可以通过分析任务过程中的故障率、运行时间以及其他期望约束来评估得到。当备件存储库中没有可用备件时，从“闲置元素”中拆用相应部件的能力就显得十分重要，在一定程度上可以降低总备件需求。然而，这种“拆用”的方式增加了系统的复杂性，可能会导致造价的提高以及可靠性的降低。因此，如何权衡可重构性这种结构性质与系统可靠性之间的关系是发展可重构航天器的一项关键难题。

5. 小结

    在未来的深空探测任务中，引入可重构航天器的思想，可以在资源有限的情况下，根据不同任务的要求、外部环境的变化以及系统故障的发生，重新配置星上的既有资源，从而有效提高部件的利用效率，降低航天器的质量与体积，大大缓解运载压力，具有十分重要的工程实际意义。

    在可重构航天器的研究领域，未来主要的研究方向有：可重构性的量化评价方法研究、可重构性与操作难度或可靠性的权衡方法研究、航天器的具体重构方法研究等。

参考文献

[1] Siddiqi A, Weck O L D. Reconfigurability in planetary  surface vehicles[J]. Acta Astronautica, 2009,  64(5):589-601.

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