航天器在轨服务技术通过对航天器进行在轨修复、升级、燃料补加等操作,能够有效的降低航天任务成本、延长航天器运行寿命,因此很早便被应用到人类航天任务之中。为了进一步降低在轨服务成本、减少宇航员的人身安全隐患,以空间机器人替代宇航员现场操作的自主在轨服务技术近些年来成为世界各国的研究重点。模块化航天器技术借鉴在工业领域广泛实行的产品模块化设计、制造、维护思想,使航天器的开发速度提高、成本降低;同时,在降低在轨服务操作难度方面也有较很大潜力,是自主在轨服务技术的重要支撑技术。本文围绕面向在轨服务的航天器可更换模块的关键技术进行概念研究。首先,分析并总结国外模块化航天器及其可更换模块的设计特点,进行模块化航天器的总体设计和其在轨可更换模块与模块适配器的设计。其中,总体设计提出了航天器外形、主承力结构构型的设计方案,并对模块安装序列进行研究;在轨可更换模块和模块适配器的设计包括结构与机构设计和控制电路设计,模块与适配器具备机械、电气连接/释放的功能。随后,对国外的空间即插即用设备标准及该标准下的卫星数据模型进行分析与总结,借鉴其实现航天器设备即插即用的原理,开发模块化航天器数据模型。该模型在一定程度上能够实现对模块化设备的自识别、自配置,能够支持模块化航天器的在轨设备更换与升级。最后,制造出航天器在轨可更换模块及其适配器的原理样机,并将其调整至正常工作状态;开发一套即插即用功能演示系统,该系统能够实现对样机可更换模块连接状态的监控、对设备数据进行处理与显示、对样机下达模块解锁指令;操纵工业机器人对样机进行模拟在轨更换模块实验,在实验室环境下模拟了在轨更换模块的全过程,验证了模块及其适配器设计的合理性和可靠性。