在轨模块更换技术主要用于航天器在轨故障维修、燃料补给、功能升级/扩展等任务,是在轨服务技术一个重要的应用方向。在轨可更换模块(On-orbit Replaceable Units,ORU)设计技术是支持航天器进行在轨模块更换的基础。标准化ORU结构不仅能够支持航天器功能模块在轨集成、更换、组装,也能够用于航天器地面快速集成测试。标准化ORU结构为模块内各功能设备的安装提供支撑,保持整个模块刚度及构型稳定性,是在轨模块更换基本技术之一。论文以在轨模块更换为背景,对ORU空间应用方式、通用化结构设计、被服务航天器质量特性在轨辨识等关键技术展开研究。　　首先,研究了ORU的应用方向。基于ORU可更换、可组装、地面可快速集成测试功能,分析了ORU在在轨模块更换、在轨组装,以及快速响应空间任务中的应用。分析了ORU搭载发射方式。并针对航天员、机器人、大型服务航天器等空间操作对象,分析了ORU在空间站、小型服务航天器、大型空间操作平台中的应用方式。分析了基于小型服务航天器模式的ORU详细更换过程。为下一步ORU关键技术研究奠定基础。　　其次,针对ORU标准化机械结构及接口等关键技术,设计了ORU通用化结构。基于Pro/Engineer软件设计了ORU箱体、接口装置及把持机构。箱体结构重点研究了复杂模块箱体及其铰链结构、锁定机构等配套装置;接口装置采用异体同构反对称式,依靠圆柱凸轮/滚子机构完成机械、电、数据接口连接;把持机构采用探杆式结构,并提出一种配套的机械臂末端执行器设计方案。以姿态控制模块为例装配了ORU。应用ANSYS软件对复杂模块箱体进行静力学、模态分析,验证了设计的正确性。　　再次,针对被服务航天器质量特性变化问题,采用递推最小二乘算法进行在轨辨识。由于模块更换后,被服务航天器可能采用单套或多套姿态控制模块。转动惯量辨识基于动量守恒原理,分为集中控制和分散协同控制两种模式。质量和质心位置采用基于推力控制的辨识算法。仿真结果表明辨识算法收敛速度快、精度高,满足实时辨识要求。　　最后,设计了ORU地面演示验证系统方案。重点研究了ORU地面快速设计、集成、组装、测试一体化方案,基于气浮台的在轨模块更换地面演示验证系统和基于三轴气浮转台的航天器质量特性在轨辨识地面演示验证系统三方面的内容。　　论文在分析ORU有何应用、如何应用基础上,重点研究了ORU通用化结构设计以及被服务航天器质量特性在轨辨识等问题,对我国在轨服务技术发展具有一定参考价值。