《未来航天器的模块化、可重构性与自主性：综述》学术报告

作者与发表信息
本文由Zhibin Zhang（北京航天工程大学）、Xinhong Li、Yanyan Li、Gangxuan Hu等学者合作完成，发表于《Chinese Journal of Aeronautics》2023年第36卷第7期（282-315页），由中国宇航学会（Chinese Society of Aeronautics and Astronautics）和北京航空航天大学联合主办。

研究背景与主题
本文聚焦航天器设计领域的范式转变——从传统单体式、静态结构向模块化、可重构、自主动态系统的演进。随着商业航天和巨型星座（如Starlink）的兴起，传统航天器设计面临成本高、技术迭代慢、在轨适应性差等挑战。在此背景下，模块化可重构航天器（Modular Reconfigurable Spacecraft, MRS）通过标准化模块组合、在轨服务（On-Orbit Service, OOS）和自主重构技术，成为解决上述问题的关键技术路径。文章系统梳理了MRS在模块化设计、可重构架构、自主控制三大领域的研究进展，并提出新型自主重构航天器概念”Magicsat”。

核心观点与论据

1. 模块化设计的技术体系
   文章将模块化层级划分为组件级、子系统级和系统级，提出混合架构（同时包含同质和异质模块）是最具前景的方案。以日本PETSAT项目为例，其将卫星功能分解为可插拔面板（如通信面板、推进面板），通过标准化接口实现快速重组。德国IBOSS项目则开发了智能空间系统接口（Intelligent Space System Interface, ISSI），集成机械、电力、数据、热传输功能，支持机器人辅助在轨组装。作者强调，模块化设计的核心挑战在于接口标准化与功能解耦的平衡。

2. 可重构性实现路径
   研究对比了三种重构方式：(1) 航天员手动操作（如国际空间站组装）；(2) 遥操作空间机器人（如DARPA的RSGS项目）；(3) 全自主重构（如MIT的Electrovoxels电磁驱动立方体）。特别分析了DARPA”凤凰计划”的Satlet技术——通过高度集成的超集成卫星单元（HISAT）实现功能模块的即插即用。文中提出重构性四大特征：鲁棒性（模块故障替换）、适应性（配置重组）、可升级性（技术迭代）和可扩展性（超大结构建造）。

3. 自主性技术框架
   作者构建了”观察-定向-决策-执行”（OODA）闭环模型，将自主等级划分为半自主（人在环，HITL）和全自主（人在环上，HOTL）。以欧洲MOSAR项目为例，其行走机械臂（Walking Manipulator, WM）可自主完成模块转移与更换。研究指出，自主重构需要分布式软件架构支持，如NASA的CLARAty（耦合层机器人自主架构）和欧洲TASTE工具集。

4. Magicsat系统创新
   作为本文提出的新型自主重构航天器，Magicsat由基础单元（Magic Cube）、连接单元（Linkage Unit）和装配单元（Assembling Unit）构成。其创新点包括：

• 混合拓扑结构：支持晶格、链式和混合构型切换
  
• 对称式模块化机械臂：采用I型/T型关节模块库，实现3-5自由度重构
  
• 多功能标准化接口：集成视觉引导的机电热数据连接
  通过硬件-数字协同仿真系统验证，Magicsat在应急响应能力（3级）和应用模式多样性（5级）上显著优于传统MRS（如日本CellSat）。

1. 应用场景与技术挑战
   文章详细列举了MRS的三大应用场景：
   

• 航天遥感：通过构型变形实现多基线立体测绘（如B3A2D3构型的双线阵成像）
  
• 在轨服务： Northwestern Polytechnic University的异构细胞卫星通过装配单元完成自主维护
  
• 商业航天：标准化模块支持大规模星座低成本部署
  关键技术挑战包括：模块划分优化（需权衡功能独立性与系统耦合度）、分布式控制算法（应对构型变化的动力学建模）、自主决策架构（基于语义推理的自配置）。

学术价值与创新点
本文的突出贡献在于：
1. 首次系统建立了MRS”模块化-可重构性-自主性”三位一体的技术评估框架，提出进化蛛网评价模型（含8项量化指标）
2. 提出Magicsat的异构模块设计理念，突破传统同质模块的功能局限性
3. 揭示电磁连接（如Electrovoxels）与机械连接（如ISSI）的互补关系，为不同任务场景提供技术选型依据

文末指出，未来MRS发展将趋向”空间细胞机器人”范式，通过生物启发式自组织实现超大型空间结构的在轨生长。这一研究为下一代可进化航天器奠定了理论基础和技术路线图。