随着空间技术的进步,大量的航天器被部署到轨道中,而失效的航天器如果不进行维护升级将会成为太空垃圾,严重影响其他航天任务的开展,因此人类迫切需要掌握在轨服务技术来解决失效航天器的在轨维护问题。天地往返运输系统可以完成空间站运行所需的燃料加注和设备更换任务,因此发展天地往返技术意义重大。重复对接锁定与分离技术是在轨服务和天地往返的前提和关键组成部分,因此开展重复对接锁定与分离技术研究已成为当前空间探测活动的迫切需求,本文致力于对重复对接锁定与分离装置方案和优化设计方法的研究,并对原理样机开展一系列试验研究。根据飞行器平台在轨工作流程和设计指标,提出三种满足要求的重复对接锁定与分离装置方案,开展基于容差能力、冲击大小和锁定能力为指标的多方案对比,优选出“蜗轮蜗杆-曲柄滑块”方案,完成捕获组件容差域理论模型和刚性锁定组件锁定力矩数学模型的建立,并对刚性锁定组件锁定力矩进行优选。开展捕获组件、刚性锁定组件、导向分离组件和传动组件的选型和结构设计,完成电机、减速器和蜗轮蜗杆的选型。建立锁定状态下试验单元和锁定装置有限元模型并进行四个锁定点锁定力大小与基频关系的分析,得到锁定力偏差对整个系统基频的影响可忽略。建立锁定点位置优化的数学模型和基于Tensor Flow深度学习框架的锁定点位置预测模型,得到锁定点位置与基频之间的关系,在此基础上对锁定点位置进行优化,得到最佳锁定点布局。建立球头关键点运动轨迹数学模型,利用关键点投影的方法完成捕获组件容差性能的优选。通过静力分析检验了装置关键结构的强度和刚度;利用拉力计测量出电连接器分离过程中的最大阻力,试验结果用于分离弹簧的设计;通过拉伸试验机得到碟簧变形-力曲线,并将该曲线用于锁定力矩和功率仿真;采用静力学分析和试验研究相结合的方式获得锁定过程中最大误差值,检验装置能否消除误差对锁定力的影响;通过运动学分析和样机试验相结合的方式完成装置捕获-对接-锁定-分离功能的验证;完成装置的振动试验,获得装置的基频和加速度响应,并验证装置在振动环境下锁定可靠性。