王景泉 （北京空間科技信息研究所）

多年來，航天技術(shù)發(fā)展國(guó)家對(duì)軌道服務(wù)進(jìn)行著不懈的努力。近年該技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)入了發(fā)展的快車道，機(jī)器人軌道服務(wù)逐漸從驗(yàn)證階段進(jìn)入應(yīng)用階段。美國(guó)航空航天局（NASA）和國(guó)防部提出了各自的機(jī)器人軌道服務(wù)發(fā)展計(jì)劃。2012年5月30－31日，240名代表在NASA戈達(dá)德航天飛行中心召開軌道服務(wù)大會(huì)，提出了遙測(cè)、再定位、燃料加注、維修、更換零部件及風(fēng)險(xiǎn)這六個(gè)方面全面研究的發(fā)展思路。2012年6月26日，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）在華盛頓召開“培育可持續(xù)的衛(wèi)星軌道服務(wù)大會(huì)”，深入探討在軌拆解退役衛(wèi)星有用部件，以及在軌重構(gòu)功能系統(tǒng)的諸多技術(shù)。世界安全基金會(huì)（SWF）與法國(guó)國(guó)際問題研究所（IFRI）于2012年10月30在布魯塞爾、世界安全基金會(huì)與新加坡航天技術(shù)協(xié)會(huì)（SSTA）于2013年2月20在新加坡均召開了此類國(guó)際會(huì)議，研討包括在軌燃料加注、在軌維修、在軌拆解并構(gòu)建新衛(wèi)星、主動(dòng)清除軌道碎片（ADR）等軌道服務(wù)問題，加快有效利用地球軌道在軌服務(wù)（OOS）技術(shù)的發(fā)展。

1 利用載人航天系統(tǒng)對(duì)軌道服務(wù)技術(shù)進(jìn)行飛行

早在20多年前，美國(guó)航空航天局就開始進(jìn)行衛(wèi)星軌道服務(wù)技術(shù)的開發(fā)，首先在“國(guó)際空間站”（ISS）等低地球軌道(LEO)飛行器上進(jìn)行驗(yàn)證，然后再轉(zhuǎn)移到靜止軌道(GEO)和其他軌道。其戰(zhàn)略規(guī)劃是在政府技術(shù)投資的支持下，從載人軌道服務(wù)起步，逐步發(fā)展高技術(shù)水平的機(jī)器人軌道服務(wù)系統(tǒng)，不斷增強(qiáng)軌道服務(wù)能力。同時(shí)，美國(guó)航空航天局十分重視發(fā)展商業(yè)模式，為以后更廣泛的軌道服務(wù)打基礎(chǔ)。另外，該局還解決了在衛(wèi)星設(shè)計(jì)中建立通用標(biāo)準(zhǔn)這一關(guān)鍵問題，建立包括模塊化系統(tǒng)、連接器、端口和抓捕固定器等部件的通用標(biāo)準(zhǔn)，以推動(dòng)軌道服務(wù)技術(shù)的快速發(fā)展。

利用航天飛機(jī)驗(yàn)證有人軌道服務(wù)技術(shù)

航天飛機(jī)任務(wù)曾利用艙外行走（EVA）和機(jī)器人技術(shù)驗(yàn)證提供有人軌道服務(wù)能力，最著名的是機(jī)器人遙操縱系統(tǒng)(RMS)，于1981年利用哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)（STS－2）進(jìn)行首飛。

艙外行走和機(jī)器人第一次軌道服務(wù)是對(duì)“太陽(yáng)峰年”(SMM)衛(wèi)星的維修。1984年4月，挑戰(zhàn)者號(hào)航天飛機(jī)利用交會(huì)接近技術(shù)，輔以遙控機(jī)械臂和航天員的艙外作業(yè)，在地球軌道上成功地追蹤、捕獲并修復(fù)了已失靈的“太陽(yáng)峰年”衛(wèi)星。

后來，又實(shí)施了持續(xù)多年的“哈勃空間望遠(yuǎn)鏡”（HST）軌道服務(wù)和維修活動(dòng)，利用RMS抓獲用戶衛(wèi)星，重點(diǎn)集中于更換軌道置換儀器(ORI)和軌道置換單元(ORU)。第一次服務(wù)除了安裝望遠(yuǎn)鏡光軸校正置換裝置（COSTAR）和維修光學(xué)系統(tǒng)外，還更換了舊的太陽(yáng)電池翼和一套電子驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，為飛行計(jì)算機(jī)安裝了協(xié)處理器，恢復(fù)了磁力計(jì)功能，置換了速率敏感器單元（陀螺儀組件）和陀螺儀電子控制單元，安裝了戈達(dá)德高分辨率光譜儀新型工具包。

在以后的16年里，至少對(duì)“哈勃空間望遠(yuǎn)鏡”進(jìn)行了4次軌道服務(wù)。第2次服務(wù)任務(wù)更換了空間望遠(yuǎn)鏡成像光譜儀(STIS)，提高了光譜觀測(cè)能力，使之能夠研究星系中心超大質(zhì)量黑洞；更換的近紅外攝像機(jī)和多目標(biāo)光譜儀(NICMOS)打開了“哈勃空間望遠(yuǎn)鏡”的近紅外波長(zhǎng)區(qū)，能研究遙遠(yuǎn)新星，這是未來解決暗能量問題的關(guān)鍵。第3次服務(wù)除更換了新的先進(jìn)計(jì)算機(jī)、精密制導(dǎo)敏感器（FGS）、扶手防護(hù)部分、新的發(fā)射機(jī)和固態(tài)記錄器外，特別還提供了新研制的陀螺儀。更換了新型攝像機(jī)和用于測(cè)量的先進(jìn)相機(jī)(ACS)。第4次服務(wù)任務(wù)中更換了宇宙起源光譜儀和寬視場(chǎng)攝像機(jī)、新的陀螺儀、新的精密制導(dǎo)敏感器、新型電池和一套新的外部覆蓋層(NOBLs)等。

“哈勃空間望遠(yuǎn)鏡”軌道服務(wù)任務(wù)的每一次都有巨大的挑戰(zhàn)，解決了諸多問題，在長(zhǎng)達(dá)20年里實(shí)現(xiàn)了100%的任務(wù)成功，衛(wèi)星軌道服務(wù)的效益和多功能性得到極好的驗(yàn)證。

“國(guó)際空間站”軌道組裝開創(chuàng)了最大規(guī)模的有人軌道服務(wù)

“國(guó)際空間站”軌道組裝本身就是最大規(guī)模的有人軌道服務(wù)的典型例證，驗(yàn)證了軌道構(gòu)建飛行器的價(jià)值和效果。全尺寸的空間站再不必作為整體單元全部在地面組裝、試驗(yàn)和發(fā)射，超大規(guī)模航天器研制模式發(fā)生了根本性改變。首先要嚴(yán)格確定部件之間的標(biāo)準(zhǔn)接口，以便進(jìn)行軌道連接。較多的試驗(yàn)分塊進(jìn)行，包括在熱真空罐中的空間鑒定試驗(yàn)在內(nèi)的地面試驗(yàn)，均改為在模塊級(jí)和分系統(tǒng)級(jí)進(jìn)行。被送入軌道的每一個(gè)新的部件，在他們進(jìn)入軌道后再作最后的集成和檢查。

“國(guó)際空間站”航天員完成了各種軌道維護(hù)和服務(wù)任務(wù)，包括太陽(yáng)電池翼在展開期間發(fā)生故障的修理，裂開的太陽(yáng)電池翼維修、太陽(yáng)電池翼“阿爾發(fā)”旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的潤(rùn)滑、拆除，更換諸如控制力矩陀螺等故障部件，安裝和取回外部研究有效載荷等，維修了在軌道服務(wù)應(yīng)用中急需的有故障的制冷系統(tǒng)。軌道服務(wù)能夠支持ISS內(nèi)部和外部研究各種設(shè)施的安裝與操作，包括所有生物學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)施、物理科學(xué)和材料、燃燒和流體科學(xué)研究設(shè)施架等。還有，在天底面安裝高光學(xué)質(zhì)量的窗口，用于地球科學(xué)觀測(cè)。

在“國(guó)際空間站”的構(gòu)建和維護(hù)中，機(jī)器人成為軌道服務(wù)的重要手段。航天飛機(jī)的機(jī)器臂從航天飛機(jī)有效載荷艙體中搬運(yùn)大量新的空間站部件，并將它們運(yùn)送到大型的空間站遙操作系統(tǒng)(SSRMS)，準(zhǔn)備下一次?？繒r(shí)進(jìn)行安裝。加拿大的專用靈巧機(jī)械臂“德克斯特”(Dex tre)能提供以前要求航天員太空行走操作才能完成的能力?！暗驴怂固亍庇袃蓚€(gè)相互獨(dú)立的機(jī)器臂，實(shí)現(xiàn)比航天飛機(jī)和SSRMS更精準(zhǔn)的操作。機(jī)器人再加注任務(wù)(RRM)包括大量的置換功能和再加注燃料的配置，是被服務(wù)飛行器保持正常應(yīng)用甚至增強(qiáng)功能的有效途徑。“德克斯特”使用專門工具拆除隔熱層、轉(zhuǎn)換試驗(yàn)端口、切割安全線、拆卸安全帽、傳輸與肼類似性質(zhì)的流體（典型的衛(wèi)星燃料）進(jìn)入可以接收的儲(chǔ)箱。靈巧機(jī)器人指向包(DPP)將利用“德克斯特”驗(yàn)證精確指向能力，完善抓獲過程。為“國(guó)際空間站”改進(jìn)的機(jī)器人航天員－2（R－2），是“酷似人類”的機(jī)器人，具有靈巧的手和關(guān)節(jié)控制，它最初在“國(guó)際空間站”內(nèi)部加壓環(huán)境下運(yùn)行，后來作為航天員太空行走的助手?？v觀到目前為止的空間站軌道組裝和利用過程，已經(jīng)為衛(wèi)星軌道服務(wù)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2 無人飛行器的機(jī)器人軌道服務(wù)驗(yàn)證

無人飛行器的軌道服務(wù)也進(jìn)行了多次試驗(yàn)，使得關(guān)鍵的服務(wù)技術(shù)日臻成熟。

世界上第一個(gè)采用機(jī)器臂的無人衛(wèi)星

日本于1997年研制的技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星－7（ETS－7），是世界上第一個(gè)采用機(jī)器臂的無人衛(wèi)星，目的是開發(fā)自主交會(huì)對(duì)接所需要的遙控交會(huì)對(duì)接與空間機(jī)器臂技術(shù)。任務(wù)期間，追逐星和目標(biāo)星發(fā)射后分離，再接近，交會(huì)并對(duì)接，成功驗(yàn)證了機(jī)器人交會(huì)對(duì)接的基本技術(shù)，支持了與遙操作有關(guān)的試驗(yàn)，包括軌道置換單元的部件更換和空間結(jié)構(gòu)的組裝，機(jī)器臂和衛(wèi)星之間的動(dòng)力學(xué)調(diào)整等。這次試驗(yàn)的成功為日本衛(wèi)星軌道服務(wù)開辟了道路。

美國(guó)航空航天局驗(yàn)證衛(wèi)星機(jī)器人在軌服務(wù)技術(shù)

美國(guó)航空航天局實(shí)施“自主交會(huì)技術(shù)驗(yàn)證”（DART）計(jì)劃的目的，是試驗(yàn)無人情況下與其他衛(wèi)星在軌自主交會(huì)的技術(shù)。此前，美國(guó)航天器之間的交會(huì)對(duì)接大都有航天員操控；而“自主交會(huì)技術(shù)驗(yàn)證”飛行器是利用它攜帶的計(jì)算機(jī)和敏感器，在無人操作的情況下自主執(zhí)行全部交會(huì)對(duì)接任務(wù)，包括機(jī)動(dòng)飛行、改變軌道和速度，緩慢準(zhǔn)確地對(duì)準(zhǔn)對(duì)接口，實(shí)現(xiàn)交會(huì)接近?！白灾鹘粫?huì)技術(shù)驗(yàn)證”飛行器裝有先進(jìn)視頻引導(dǎo)敏感器、視頻成像儀、肼燃料推進(jìn)系統(tǒng)、GPS接收機(jī)和計(jì)算機(jī)等。在交會(huì)操作過程中，先進(jìn)視頻引導(dǎo)敏感器接收目標(biāo)衛(wèi)星激光測(cè)距系統(tǒng)的激光信號(hào)，測(cè)量出2個(gè)航天器之間相對(duì)的距離、方位和姿態(tài)，在距目標(biāo)衛(wèi)星5m左右進(jìn)行一系列復(fù)雜的操縱調(diào)整。由于目標(biāo)衛(wèi)星沒有對(duì)接裝置，所以“自主交會(huì)技術(shù)驗(yàn)證”飛行器不與目標(biāo)進(jìn)行對(duì)接，而是以毫米級(jí)的精度接近它。

2005年4月16日，“自主交會(huì)技術(shù)驗(yàn)證”飛行器與美軍退役的“多路徑超視距通信”（MUBLCOM）衛(wèi)星自主交會(huì)。但是當(dāng)前者進(jìn)入距“多路徑超視距通信”衛(wèi)星91.44m的范圍內(nèi)時(shí)，由于推進(jìn)燃料消耗過多，任務(wù)被迫提前結(jié)束。

美國(guó)國(guó)防部機(jī)器人軌道服務(wù)技術(shù)驗(yàn)證

美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局的“軌道快車”（Orbital Ex press）計(jì)劃成功驗(yàn)證了自主飛行器為在軌衛(wèi)星加注燃料、更換部件、升級(jí)功能、延長(zhǎng)壽命等軌道服務(wù)技術(shù)，其技術(shù)進(jìn)步可能引發(fā)軍事航天技術(shù)應(yīng)用的新一輪變革?！败壍揽燔嚒毕到y(tǒng)包括3種衛(wèi)星，即服務(wù)衛(wèi)星“自主空間運(yùn)輸器和機(jī)器人軌道器”（ASTRO）、被服務(wù)衛(wèi)星“下一代衛(wèi)星/補(bǔ)給航天器”（NextSat/CSC）以及能對(duì)美國(guó)靜止軌道衛(wèi)星進(jìn)行空間監(jiān)視的微衛(wèi)星?！白灾骺臻g運(yùn)輸器和機(jī)器人軌道器”載有136k g推進(jìn)燃料、1個(gè)小型機(jī)械臂、2套可對(duì)目標(biāo)星進(jìn)行跟蹤觀測(cè)的光學(xué)成像裝置，能對(duì)目標(biāo)星進(jìn)行部件更換、燃料輸送，用以驗(yàn)證自主交會(huì)、接近操作、標(biāo)準(zhǔn)接口、軟捕獲、推進(jìn)劑供應(yīng)和部件置換等20項(xiàng)技術(shù)。

2007年3－5月，“自主空間運(yùn)輸器和機(jī)器人軌道器”和“下一代衛(wèi)星”兩種衛(wèi)星完成自由飛行分離與交會(huì)對(duì)接驗(yàn)證?！白灾骺臻g運(yùn)輸器和機(jī)器人軌道器”用光學(xué)成像裝置跟蹤并“鎖定”后者后，自主交會(huì)并接近，然后用抓鉤臂和三叉形對(duì)接裝置將它拉近停靠、完成對(duì)接，并為其更換太陽(yáng)電池翼和其他零部件。整個(gè)交會(huì)對(duì)接和更換過程都由衛(wèi)星自主完成，地面控制人員沒有介入。后來“自主空間運(yùn)輸器和機(jī)器人軌道器”又試驗(yàn)了視頻傳感器遠(yuǎn)距離敏感度，卸空推進(jìn)劑，關(guān)閉電源系統(tǒng)，完成了和“下一代衛(wèi)星”的自主對(duì)接和驗(yàn)證燃料傳輸以及諸如將電池插入到“下一代衛(wèi)星”等軌道置換單元的更換活動(dòng)，確認(rèn)了衛(wèi)星服務(wù)所需的關(guān)鍵技術(shù)。

美國(guó)空軍微衛(wèi)星機(jī)器人軌道服務(wù)驗(yàn)證

“試驗(yàn)衛(wèi)星系統(tǒng)”（XSS）是美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室、空軍航天與導(dǎo)彈系統(tǒng)中心、海軍研究實(shí)驗(yàn)室等機(jī)構(gòu)聯(lián)合開展的項(xiàng)目，目的是研制一種全自主控制的具有在軌檢查、交會(huì)對(duì)接、在軌道圍繞目標(biāo)近距離機(jī)動(dòng)等能力的微小衛(wèi)星，最終增強(qiáng)美國(guó)軍事航天執(zhí)行空間維修、升級(jí)及其他特殊任務(wù)的能力。

其中試驗(yàn)衛(wèi)星系統(tǒng)－10衛(wèi)星是微衛(wèi)星有效載荷對(duì)軌道目標(biāo)成像的概念性探路者，裝備用于交會(huì)對(duì)接的電子部件、輕量級(jí)推進(jìn)系統(tǒng)、輕型捷聯(lián)式慣性測(cè)量裝置、小型姿態(tài)控制系統(tǒng)、天地鏈接系統(tǒng)、CCD成像器及鋰離子電池等。在交會(huì)對(duì)接試驗(yàn)中，試驗(yàn)衛(wèi)星系統(tǒng)－10首先機(jī)動(dòng)到距目標(biāo)飛行器100m以內(nèi)，對(duì)目標(biāo)飛行器進(jìn)行拍照，然后繼續(xù)機(jī)動(dòng)到距目標(biāo)飛行器35m范圍內(nèi)，拍照并傳輸數(shù)字圖像。該衛(wèi)星在24h內(nèi)完成了多次在軌機(jī)動(dòng)試驗(yàn)。

試驗(yàn)衛(wèi)星系統(tǒng)－11計(jì)劃的主要任務(wù)是驗(yàn)證星載監(jiān)視設(shè)備對(duì)目標(biāo)飛行器的監(jiān)視能力，驗(yàn)證先進(jìn)的軌道機(jī)動(dòng)和位置保持能力、自身對(duì)空間威脅的感知能力（感知自身是否受到干擾或激光武器的攻擊）等，還驗(yàn)證多種以空間作戰(zhàn)為背景的自主交會(huì)控制與接近技術(shù)（特別是與非合作目標(biāo)的自主空間交會(huì)），長(zhǎng)時(shí)間靈活接近，對(duì)多個(gè)目標(biāo)的接近以及接近控制與管理模式，低成本空間集成與制造衛(wèi)星技術(shù)的可行性，對(duì)飛行狀態(tài)與試驗(yàn)結(jié)果的分析等。

衛(wèi)星進(jìn)行了最少1年的復(fù)雜接近操作，包括靠近和圍繞目標(biāo)實(shí)施檢查和機(jī)動(dòng)，如檢查目標(biāo)飛行器的狀態(tài)，靠近飛行器拍攝照片；配合地面操作人員對(duì)在軌衛(wèi)星進(jìn)行綜合診斷，確定其性質(zhì)；驗(yàn)證與非合作目標(biāo)飛行器自主共軌式飛行的能力；實(shí)施空間飛行器燃料補(bǔ)給操作等軌道服務(wù)。其關(guān)鍵技術(shù)包括接近操作的軟件和算法、小型化接近敏感器（含激光測(cè)距儀）、公用艙和模塊化有效載荷艙接口，以及用于接近操作的指揮控制技術(shù)等。關(guān)鍵分系統(tǒng)是星上計(jì)算機(jī)、電源和推進(jìn)分系統(tǒng)，包括每秒處理2.4億條指令的防輻射PC750處理器、太陽(yáng)電池和高能鋰離子電池、熱氣態(tài)肼推進(jìn)系統(tǒng)；低功率收發(fā)信機(jī)；能夠在軌重新編程、可承受空間輻射環(huán)境，集成后可在軌自主升級(jí)的GPS接收器；低功率快速掃描激光雷達(dá)和集成化遙感相機(jī)，分別用于主動(dòng)和被動(dòng)兩種方法確定飛行器的相對(duì)位置等。

試驗(yàn)衛(wèi)星系統(tǒng)－11可在遠(yuǎn)離目標(biāo)的前、后方飛行，交會(huì)后靠近飛行，有安全交會(huì)和可控制地精確接近目標(biāo)能力。在任務(wù)期間，衛(wèi)星與位于同一軌道面的6～7個(gè)飛行器（包括失效的火箭上面級(jí)與廢棄的衛(wèi)星）進(jìn)行了自主交會(huì)，每次交會(huì)試驗(yàn)都有幾個(gè)確定的技術(shù)驗(yàn)證科目，如使用不同的傳感器、不同的制導(dǎo)算法等。衛(wèi)星還與數(shù)個(gè)臨近其軌道平面的美國(guó)空間飛行器進(jìn)行交會(huì)和接近，以驗(yàn)證更高程度的自主性。試驗(yàn)衛(wèi)星系統(tǒng)－11衛(wèi)星由地面控制飛行，地面控制中心也參與交會(huì)、航向修正等過程。星載自主能力較強(qiáng)，技術(shù)人員在地面輸入自主任務(wù)規(guī)劃軟件、衛(wèi)星在全自動(dòng)模式下飛行。

其他的機(jī)器人軌道服務(wù)技術(shù)開發(fā)計(jì)劃

歐洲航天局提出的“錐形快車-軌道壽命延長(zhǎng)飛行器”（CX-OLEV）由軌道復(fù)活公司研制，主要服務(wù)于靜止軌道通信衛(wèi)星?！板F形快車-軌道壽命延長(zhǎng)飛行器”可以發(fā)現(xiàn)、跟蹤、抓獲靜止軌道上的用戶衛(wèi)星，并可在交會(huì)對(duì)接后附著在用戶衛(wèi)星上長(zhǎng)達(dá)10年，利用自身的推進(jìn)和引導(dǎo)系統(tǒng)使其恢復(fù)姿態(tài)和軌道控制功能?！板F形快車-軌道壽命延長(zhǎng)飛行器”配置“萬(wàn)能”錐型接口裝置，可與燃料耗盡的大多數(shù)衛(wèi)星的遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴對(duì)接成1個(gè)組合體，然后取代原衛(wèi)星的姿態(tài)和軌道控制系統(tǒng)，為這一組合體提供導(dǎo)航、制導(dǎo)和動(dòng)力。因此，“錐形快車-軌道壽命延長(zhǎng)飛行器”可以延長(zhǎng)衛(wèi)星的工作壽命（使質(zhì)量3t的衛(wèi)星延壽10年）,還能對(duì)被發(fā)射到錯(cuò)誤軌道上或者在機(jī)動(dòng)期間發(fā)生問題的衛(wèi)星實(shí)施救援和重新定位，像“拖船”那樣把它們送到正確軌道上。

德國(guó)航天局（DLR）于2010年開始分5個(gè)部分進(jìn)行軌道服務(wù)驗(yàn)證，即全面系統(tǒng)地管理對(duì)用戶衛(wèi)星的跟蹤、交會(huì)，處置用戶衛(wèi)星，用戶衛(wèi)星的設(shè)計(jì)，包括機(jī)械臂和對(duì)接機(jī)構(gòu)的服務(wù)有效載荷的設(shè)計(jì)。軌道驗(yàn)證期間，服務(wù)飛行器和用戶衛(wèi)星一起發(fā)射，入軌后分離。服務(wù)飛行器和用戶衛(wèi)星交會(huì)并捕獲，然后引導(dǎo)系統(tǒng)再入地球。

加拿大麥德聯(lián)合有限公司（MDA）也從2010年開始設(shè)計(jì)衛(wèi)星服務(wù)系統(tǒng)，驗(yàn)證衛(wèi)星再加注燃料，并將不工作衛(wèi)星推進(jìn)墓地軌道。服務(wù)飛行器和用戶衛(wèi)星的遠(yuǎn)地點(diǎn)爬升發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)接，剝?nèi)ジ綦x層，連接到燃料管道，灌進(jìn)推進(jìn)劑。雖然實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的技術(shù)障礙基本解決，但由于資金和責(zé)任等諸多問題，該計(jì)劃中途停止。

3 機(jī)器人衛(wèi)星軌道服務(wù)將開辟衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展的新時(shí)代

美國(guó)航空航天局將機(jī)器人衛(wèi)星軌道服務(wù)作為技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)。2011年4月美國(guó)航空航天局以廣泛機(jī)構(gòu)公告（BA A）的形式提出了衛(wèi)星再加注的技術(shù)驗(yàn)證計(jì)劃，主要發(fā)展的技術(shù)包括高帶寬深空通信、軌道碎片減緩、深空推進(jìn)系統(tǒng)、自主交會(huì)對(duì)接和服務(wù)操作4個(gè)領(lǐng)域。

美國(guó)航空航天局制定發(fā)展衛(wèi)星服務(wù)能力計(jì)劃推動(dòng)私營(yíng)衛(wèi)星服務(wù)工業(yè)

受美國(guó)國(guó)會(huì)的委托，在美國(guó)航空航天局咨詢委員會(huì)(NAC)的支持下，開展了未來可能的衛(wèi)星軌道服務(wù)研究。為了獲得在太空進(jìn)行衛(wèi)星補(bǔ)給燃料的技術(shù)和方法，美國(guó)航空航天局決定制定衛(wèi)星服務(wù)能力計(jì)劃（SSCP）。設(shè)在哥達(dá)德空間飛行中心的衛(wèi)星服務(wù)能力辦公室(SSCO)，具有空間服務(wù)專門技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，曾經(jīng)研制維修“哈勃空間望遠(yuǎn)鏡”的軌道服務(wù)系統(tǒng)，也負(fù)責(zé)后來提出的機(jī)器人軌道服務(wù)任務(wù)。目前，衛(wèi)星服務(wù)能力辦公室集中于“機(jī)器人燃料補(bǔ)給任務(wù)”（RRM）的試驗(yàn)計(jì)劃。作為美國(guó)航空航天局和加拿大航天局（CSA）聯(lián)合計(jì)劃的一部分，機(jī)器人補(bǔ)給燃料任務(wù)計(jì)劃安排在“國(guó)際空間站”上進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證在軌衛(wèi)星再加注燃料和維修的能力。

機(jī)器人衛(wèi)星軌道服務(wù)的主要形式

未來的機(jī)器人衛(wèi)星服務(wù)可能主要有6種不同的形式：①遙遠(yuǎn)軌道位置的目標(biāo)觀測(cè)，提供圍繞衛(wèi)星飛行的能力，以便調(diào)查、視頻檢查和評(píng)估被損壞的衛(wèi)星；②再加注燃料，提供延長(zhǎng)空間設(shè)施壽命的能力；③重新定位，提供將空間設(shè)施移動(dòng)到新位置的能力，包括初次入軌失敗以后，將衛(wèi)星推進(jìn)到正確軌道，或作為空間拖船，將衛(wèi)星拖動(dòng)到另外的位置；④維修，包括固定或修復(fù)故障的衛(wèi)星部件，配置附屬部件等；⑤替換或拆卸，包括模塊式更換故障的衛(wèi)星部件，拆下廢棄衛(wèi)星有價(jià)值的衛(wèi)星部件等；⑥從失去功能衛(wèi)星獲取有用部件，在軌道構(gòu)建成具有功能的新衛(wèi)星。

機(jī)器人補(bǔ)給燃料的任務(wù)主要目標(biāo)是推進(jìn)機(jī)器人服務(wù)技術(shù)的發(fā)展，利用創(chuàng)新的機(jī)器人工具和技術(shù)的驗(yàn)證，對(duì)沒有設(shè)計(jì)機(jī)器人操作標(biāo)準(zhǔn)衛(wèi)星接口的對(duì)象實(shí)現(xiàn)遙操作。

以機(jī)器人為主，地面遙控和航天員輔助的軌道服務(wù)能力驗(yàn)證

加拿大研制的“德克斯特”機(jī)械臂已于2008年運(yùn)到“國(guó)際空間站”，該機(jī)械臂將利用美國(guó)航空航天局戈達(dá)德空間飛行中心為這項(xiàng)任務(wù)定制的“機(jī)器人燃料補(bǔ)給任務(wù)”衛(wèi)星服務(wù)系統(tǒng)，即模裝衛(wèi)星進(jìn)行軌道再加注燃料任務(wù)的模擬。由于使用的“機(jī)器人燃料補(bǔ)給任務(wù)”是新裝備，因此需要加拿大空間機(jī)構(gòu)進(jìn)行“德克斯特”操作的軟件修改，并通過上行鏈路注入到“國(guó)際空間站”。所設(shè)計(jì)的“機(jī)器人補(bǔ)給燃料任務(wù)”是為了完成飛行器的機(jī)器人服務(wù)進(jìn)行的必要驗(yàn)證，以推動(dòng)相關(guān)技術(shù)發(fā)展，但并不是設(shè)計(jì)為真正的軌道燃料補(bǔ)給和維修。

“機(jī)器人燃料補(bǔ)給任務(wù)”艙如同洗衣機(jī)大小，質(zhì)量約247.5k g，尺寸為83.8cm×109.2cm×114.3cm，該艙攜帶約1.34kg乙醇，用于驗(yàn)證軌道的流體輸送。該艙采用許多商業(yè)和政府衛(wèi)星都使用的保護(hù)性熱毯、螺帽、閥門和連接器，還有模擬燃料和其他與服務(wù)試驗(yàn)有關(guān)的飛行器部件進(jìn)行試驗(yàn)，其研制經(jīng)費(fèi)為2260萬(wàn)美元。

2011年7月，“機(jī)器人燃料補(bǔ)給任務(wù)”艙裝載在阿特蘭蒂斯號(hào)航天飛機(jī)運(yùn)到空間站，它被掛在空間站外面，然后在航天員的附助下，機(jī)器人將其安全地固定在空間站上；不久，又將“機(jī)器人燃料補(bǔ)給任務(wù)”艙轉(zhuǎn)移，并固定在“德克斯特”的增強(qiáng)軌道置換單元臨時(shí)平臺(tái)（EOTP）上，接著航天飛機(jī)脫離對(duì)接，再利用加拿大機(jī)器臂－2（Canadarm－2）和“德克斯特”的協(xié)同動(dòng)作，又將“機(jī)器人燃料補(bǔ)給任務(wù)”艙轉(zhuǎn)移到為其安排的最后位置，即空間站桁架上的快速處理試驗(yàn)后勤搬運(yùn)器－4(ELC－4)。等到修改的“德克斯特”軟件注入后，在休斯敦約翰遜空間中心的操作人員，開始利用機(jī)器臂和工具，進(jìn)行“機(jī)器人燃料補(bǔ)給任務(wù)”艙的再加注燃料和維修遙控操作。操作者控制機(jī)械臂割開“機(jī)器人燃料補(bǔ)給任務(wù)”的保護(hù)性熱毯，擰開燃料帽，然后將模擬燃料乙醇從模裝星的一個(gè)容器傳輸?shù)搅硪粋€(gè)容器里，驗(yàn)證利用現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行燃料再加注。研究人員利用“機(jī)器人燃料補(bǔ)給任務(wù)”艙和“德克斯特”機(jī)器人，專門進(jìn)行了2年的機(jī)器人服務(wù)和再加注燃料的驗(yàn)證試驗(yàn)。

美國(guó)航空航天局希望“機(jī)器人燃料補(bǔ)給任務(wù)”的研制活動(dòng)能推動(dòng)私營(yíng)衛(wèi)星軌道服務(wù)工業(yè)，并進(jìn)一步鼓勵(lì)衛(wèi)星經(jīng)營(yíng)者在未來的衛(wèi)星上增加敏感器、電子系統(tǒng)和燃料傳輸能力，為未來的衛(wèi)星軌道服務(wù)打基礎(chǔ)。衛(wèi)星服務(wù)能力辦公室負(fù)責(zé)人表示，軌道服務(wù)將使衛(wèi)星壽命延長(zhǎng)到足以使衛(wèi)星經(jīng)營(yíng)者獲得超過投資的高價(jià)值回報(bào)。如果衛(wèi)星投資是5億～10億美元，經(jīng)營(yíng)者的某種業(yè)務(wù)使用3～4顆衛(wèi)星，那么衛(wèi)星服務(wù)大概在經(jīng)濟(jì)上是可行的。據(jù)估計(jì)，每10年大約有88顆衛(wèi)星在軌道失效，因此，美國(guó)航空航天局的驗(yàn)證軌道衛(wèi)星再加注技術(shù)必將推動(dòng)衛(wèi)星軌道服務(wù)工業(yè)的發(fā)展。其合作者加拿大麥德聯(lián)合有限公司衛(wèi)星服務(wù)負(fù)責(zé)人表示，如果美國(guó)航空航天局選擇進(jìn)入在軌衛(wèi)星服務(wù)領(lǐng)域，將具有幾近不可超越的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。該公司“德克斯特”機(jī)器人的研制者也正在組建專營(yíng)公司，決心進(jìn)入在軌衛(wèi)星服務(wù)領(lǐng)域。

4 軍事上在軌拆解與再構(gòu)建技術(shù)

美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局提出了“鳳凰”（Phoenix）計(jì)劃，即在軌道上從失去功能的衛(wèi)星上拆解有用部件，構(gòu)建新的太空系統(tǒng)。這是涉及已經(jīng)退役、非專門設(shè)計(jì)的可控制衛(wèi)星，即關(guān)于留在墓地軌道死亡衛(wèi)星如何拆解和再利用的問題。

從太空垃圾中挑選諸如衛(wèi)星天線等有價(jià)值的部件進(jìn)行再利用，可大大降低成本，似乎能應(yīng)對(duì)美國(guó)國(guó)防部面臨的嚴(yán)重預(yù)算消減的困境。但更重大、更長(zhǎng)遠(yuǎn)的意義不僅于此，如果這一計(jì)劃驗(yàn)證成功，空間碎片就能變成空間資源。因此，進(jìn)行軌道拆解部件和重復(fù)再用技術(shù)的驗(yàn)證，不但滿足國(guó)防部未來的需求，也能開拓航天發(fā)展的新途徑。

發(fā)展在軌拆解與再構(gòu)建技術(shù)的動(dòng)因

拆解衛(wèi)星部件，特別是拆解靜止軌道以上的高軌道衛(wèi)星難度很大，不但退役衛(wèi)星本身沒有按交會(huì)對(duì)接要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，衛(wèi)星的制造工藝也決定了其拆解難度。為此，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局將研制專門的工具、設(shè)備和技術(shù)，初期目標(biāo)是拆解退役衛(wèi)星天線，最終目的是發(fā)展并驗(yàn)證從退役的和不能工作的衛(wèi)星上獲取可重復(fù)使用的有價(jià)值部件，并以大大降低的成本構(gòu)建新的空間系統(tǒng)。當(dāng)靜止軌道通信衛(wèi)星失去工作能力后，移到墓地軌道實(shí)際上是一種不確定性保存。衛(wèi)星雖然廢棄了，但衛(wèi)星上仍有天線、太陽(yáng)電池翼和其他高價(jià)值部件，這些部件比衛(wèi)星有更長(zhǎng)的工作壽命，可以繼續(xù)使用，然而，目前還沒有辦法重復(fù)使用它們。

美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局的“鳳凰”計(jì)劃就是將軌道再用技術(shù)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的催化劑計(jì)劃，發(fā)展動(dòng)力來自許多方面。首先是潛在的可大幅度節(jié)省成本，目前衛(wèi)星的發(fā)射成本最少也在數(shù)百萬(wàn)美元，而衛(wèi)星天線和太陽(yáng)電池翼等往往是構(gòu)成發(fā)射成本的關(guān)鍵因素，省掉這些關(guān)鍵部分，也就省掉了絕大部分發(fā)射成本。當(dāng)軌道上有現(xiàn)成的部件可用于構(gòu)建新衛(wèi)星時(shí)，可以省去向軌道發(fā)射重型部件耗費(fèi)的成本。同時(shí)衛(wèi)星大型部件研制復(fù)雜，軌道再利用方式可免去必要的制造過程，從而免去了研制成本很高和周期很長(zhǎng)的部分。任何航天機(jī)構(gòu)、運(yùn)營(yíng)公司都會(huì)面臨軌道上舊衛(wèi)星衰退、墜落地球的問題，而美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局“吃掉”舊衛(wèi)星，“吐出”新衛(wèi)星的“鳳凰”計(jì)劃途徑不失為創(chuàng)新思路。

“鳳凰”計(jì)劃在軌拆解衛(wèi)星，主要是重復(fù)使用天線等衛(wèi)星最大、最昂貴的部件。研究和驗(yàn)證從退役和不工作的靜止軌道衛(wèi)星中獲得和再用有價(jià)值部件的技術(shù)，不僅能大大降低衛(wèi)星成本，更重要的是開拓未來軌道服務(wù)活動(dòng)的新模式，不但可以驗(yàn)證未來軌道服務(wù)的先進(jìn)技術(shù)工藝，也可在軌道構(gòu)建國(guó)防部需要的靜止軌道衛(wèi)星系統(tǒng)。

2011年12月，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局發(fā)布了該計(jì)劃第一個(gè)大范圍公告(BAA)，建議幫助有關(guān)機(jī)構(gòu)解決大量技術(shù)挑戰(zhàn)，為在軌道上撈取衛(wèi)星部件所需要的技術(shù)、工藝和操作盡早進(jìn)行軌道驗(yàn)證。“有效載荷軌道交付系統(tǒng)”（PODS）也在這個(gè)計(jì)劃中進(jìn)行設(shè)計(jì)，以便使商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射飛行器運(yùn)輸部分安全裝載“鳳凰”計(jì)劃的納衛(wèi)星。在2015或2016年，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局計(jì)劃利用機(jī)器人至少進(jìn)行一次靜止軌道衛(wèi)星拆解和再用天線的軌道驗(yàn)證。

“鳳凰”計(jì)劃系統(tǒng)總體技術(shù)構(gòu)想

“鳳凰”的技術(shù)方案是首先研制一種獨(dú)立軌道守護(hù)器（Tender），或稱“柔體機(jī)器手”的無人服務(wù)飛行器，作為該計(jì)劃的核心部分。它將最先發(fā)射入軌，等待“微小衛(wèi)星”（Satlets）發(fā)射。具有各種功能的“微小衛(wèi)星”和有關(guān)工具裝載在“有效載荷軌道交付系統(tǒng)”中，搭載在商業(yè)衛(wèi)星上入軌。

首先，在軌的“有效載荷軌道交付系統(tǒng)”和軌道守護(hù)器交會(huì)對(duì)接，構(gòu)成飛行器組合，軌道守護(hù)器將該飛行器組合推向墓地軌道，那里堆積著不再有用的來自靜止軌道的衛(wèi)星?！坝行лd荷軌道交付系統(tǒng)”和軌道守護(hù)器將變成衛(wèi)星服務(wù)站工具帶的一部分，軌道守護(hù)器利用其抓取機(jī)械臂和專門研制的空間服務(wù)工具，從“有效載荷軌道交付系統(tǒng)”內(nèi)拖拽出多個(gè)“微小衛(wèi)星”。

在墓地軌道某顆衛(wèi)星的業(yè)主允許進(jìn)行軌道拆解的前提下，軌道守護(hù)器將對(duì)具體待拆解的衛(wèi)星定位，由于待拆解的衛(wèi)星不具備可控制性，因此需要將一種具有控制能力的“微小衛(wèi)星”掛靠其上，以備施以控制。再通過地球上的技術(shù)人員遙控使用軌道守護(hù)器，去拆解退役衛(wèi)星天線等有用部件。一旦天線從衛(wèi)星上拆解下來，再將另一顆有基本通信功能的“微小衛(wèi)星”掛靠已拆解下來的天線上，構(gòu)成具有通信功能的新衛(wèi)星。隨后軌道守護(hù)器將新衛(wèi)星轉(zhuǎn)移到另一個(gè)位置，停泊待用，如此循環(huán)。

新衛(wèi)星上的“微小衛(wèi)星”裝有基于零推力機(jī)動(dòng)的姿態(tài)控制軟件，該軟件已經(jīng)在空間站和美國(guó)航空航天局的“示蹤”（TRACE）衛(wèi)星上進(jìn)行過驗(yàn)證，可以在不使用推力器的情況下，保持衛(wèi)星穩(wěn)定的飛行方向?！拔⑿⌒l(wèi)星”與拆解的天線連接后，利用自身分布式控制系統(tǒng)和姿態(tài)控制能力，實(shí)現(xiàn)天線精確定位和精確指向，構(gòu)成衛(wèi)星通信功能。

最佳的地基遙操作技術(shù)將融進(jìn)地面和天基的機(jī)器人系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)在36000k m距離之外的通過無線鏈路控制軌道上的拆解和再組裝操作，開辟在軌機(jī)器人組裝衛(wèi)星的新途徑。如果能證明“鳳凰”計(jì)劃的服務(wù)器和柔體部分組成的飛行器的軌道機(jī)器人能力是成功的，也能將在軌道上拆解的部件連接到新衛(wèi)星上，從而支持電源、通信、姿態(tài)控制等需要的飛行器功能，那么在軌道上構(gòu)造一顆衛(wèi)星需要的時(shí)間和投資將是無可比擬的低。當(dāng)然，這是一個(gè)很復(fù)雜的過程，操作程序和需要的技術(shù)尚待進(jìn)一步完善。

據(jù)粗略估計(jì)，目前在靜止軌道上有數(shù)百顆退役的衛(wèi)星，對(duì)這些廢棄衛(wèi)星的分析得知，它們保有完好和有價(jià)值的部件，總價(jià)值甚至高達(dá)3000億美元。國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局特別對(duì)拆解天線等昂貴部件感興趣，這些大型部件在太空大量存在，也可視為在很好條件下存放的昂貴部件。“鳳凰”計(jì)劃是在探索傳統(tǒng)軌道服務(wù)活動(dòng)之外的途徑，特別是促進(jìn)可為國(guó)防部帶來利益的后續(xù)潛在商業(yè)服務(wù)的發(fā)展。目前，需要制定國(guó)防部和工業(yè)部門在空間服務(wù)任務(wù)中都要使用的標(biāo)準(zhǔn)，提供某種獨(dú)特方法和可驗(yàn)證的測(cè)量。

技術(shù)挑戰(zhàn)和需創(chuàng)新的關(guān)鍵技術(shù)

首先，如果沒有按可拆卸和維修設(shè)計(jì)，那么拆解結(jié)構(gòu)和移走部件，并進(jìn)行軌道組裝和測(cè)試是難以實(shí)現(xiàn)的。特別是由于現(xiàn)有衛(wèi)星的連接通常采用鑄造或焊接方式，需要大功率的切割才能拆解，故抓獲、切割和修改復(fù)雜系統(tǒng)就要求完全新型的機(jī)器人技術(shù)和成像技術(shù)。另一個(gè)挑戰(zhàn)就是開發(fā)新型遙操作技術(shù)，要能夠?qū)蓚€(gè)部件靠在一起，使機(jī)器手能夠?qū)⑼？吭谝黄鸬膬蓚€(gè)部件進(jìn)行諸如扣件連接等方式的連接。

在零重力下，所有軌道服務(wù)都需要這樣的操作過程，也存在著諸多技術(shù)障礙。要研制新型的機(jī)器人工具，具有靈巧和高效的能力，實(shí)現(xiàn)在不損傷部件的前提下拆解衛(wèi)星部件；要在靜止軌道上完成上述功能，需要高度的自主性能力。使用“微小衛(wèi)星”處理天線后，變成新的功能系統(tǒng)，也是水深莫測(cè)，從沒有涉獵過。待驗(yàn)證的靈巧操縱機(jī)械臂功能，包括天線拆解、交會(huì)對(duì)接和再構(gòu)建等，需要反復(fù)的工程實(shí)踐。機(jī)械臂和抓捕工具還需要從地面進(jìn)行遙控。在該任務(wù)實(shí)施過程中，計(jì)劃的關(guān)鍵問題是以機(jī)器人技術(shù)為基礎(chǔ)的、由軌道服務(wù)器和柔體機(jī)器手組成的飛行器組合的研制和使用。

“鳳凰”計(jì)劃涉及到發(fā)展大范圍監(jiān)視的技術(shù)，好比坐在數(shù)千里之外，要看到海底作業(yè)的鉆井操作。同樣，利用在太空可以機(jī)動(dòng)的機(jī)器人，人坐在地球上的操作中心施以控制，存在諸多難度。國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局還要求發(fā)展下一代地基望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)，從而更精確地觀測(cè)和跟蹤在地球同步軌道上的無數(shù)可拆解衛(wèi)星。這種名為“伽利略”（Galileo）的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)將提供關(guān)于廢棄衛(wèi)星軌道參數(shù)和轉(zhuǎn)動(dòng)狀況的足夠信息，以確定對(duì)某衛(wèi)星實(shí)施拆解是否可行。

另外，還需要部署更加經(jīng)濟(jì)可行的大量低成本小衛(wèi)星，發(fā)展國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局提出的分離模塊結(jié)構(gòu)體系。該結(jié)構(gòu)體系通過利用資源共享的微衛(wèi)星簇代替單一的大型衛(wèi)星，降低衛(wèi)星系統(tǒng)單點(diǎn)故障的風(fēng)險(xiǎn)，為未來發(fā)展生存能力更強(qiáng)的、具有更強(qiáng)自適應(yīng)性的空間系統(tǒng)做技術(shù)準(zhǔn)備。預(yù)計(jì)到2020年左右，在軌收集可再利用的衛(wèi)星部件、組裝經(jīng)濟(jì)型衛(wèi)星或結(jié)構(gòu)并開始投入運(yùn)行的技術(shù)會(huì)基本成熟。

創(chuàng)新的關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域需要諸多行業(yè)技術(shù)的移植和轉(zhuǎn)化，如耐輻射微電子和存儲(chǔ)技術(shù)，用于自組網(wǎng)連接和地面控制工業(yè)電子控制系統(tǒng)分布式無線移動(dòng)平臺(tái)技術(shù)，微小型制導(dǎo)和控制測(cè)量單元，工業(yè)機(jī)器人終端動(dòng)作器和工具調(diào)換機(jī)械和技術(shù)，計(jì)算機(jī)輔助醫(yī)學(xué)機(jī)器人微型外科遙現(xiàn)、工具和成像技術(shù)，在海面油田和氣體鉆探工業(yè)使用的遠(yuǎn)程水下成像/視覺技術(shù)，大容量微電子和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的地面制造技術(shù)，電子裝置和系統(tǒng)的地面熱管理設(shè)計(jì)技術(shù)，大體積單片金屬和其他結(jié)構(gòu)材料的低成本工業(yè)制造，各種結(jié)構(gòu)材料的添加制造，等等。

當(dāng)然，這些退役衛(wèi)星的部件只有在其所有者同意后方可拆解，因此該計(jì)劃還有諸多涉及國(guó)際航天的規(guī)則問題需要解決。

5 空間工業(yè)抓住時(shí)機(jī)，軌道服務(wù)商業(yè)化前景廣闊

對(duì)商用或政府衛(wèi)星實(shí)施加注燃料、重新結(jié)構(gòu)或軌道維護(hù)等軌道衛(wèi)星服務(wù)概念，似乎是培育有利可圖市場(chǎng)的思路，引起了航天工業(yè)的關(guān)注。

加拿大麥德聯(lián)合有限公司和國(guó)際通信衛(wèi)星公司的聯(lián)合計(jì)劃

2011年3月，國(guó)際通信衛(wèi)星（INTELSAT）公司作為世界上最大的商業(yè)衛(wèi)星通信運(yùn)營(yíng)公司和麥德聯(lián)合有限公司簽定協(xié)議，投資2.8億美元為幾顆燃料不多但狀況尚佳的“國(guó)際通信衛(wèi)星”在軌加注燃料。由該公司設(shè)計(jì)發(fā)射為在軌道上的其他衛(wèi)星加注燃料的第一個(gè)服務(wù)飛行器，計(jì)劃2015年發(fā)射。太空交會(huì)對(duì)接技術(shù)成為這一商業(yè)計(jì)劃成功的關(guān)鍵。

麥德聯(lián)合有限公司投資2億美元研制的“空間基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)”(SIS)飛行器，依靠交會(huì)對(duì)接技術(shù)對(duì)衛(wèi)星實(shí)施燃料再加注，這不僅提供了延長(zhǎng)衛(wèi)星工作壽命的可能，而且所設(shè)計(jì)的服務(wù)衛(wèi)星將成為第一代商業(yè)服務(wù)的太空基礎(chǔ)設(shè)施?！翱臻g基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)”飛行器還可以對(duì)衛(wèi)星檢查、拖拉、重新定位和一定程度的維修、升級(jí)，因此“空間基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)”除了攜帶燃料儲(chǔ)箱以外，還將裝載機(jī)械臂，用于抓捕衛(wèi)星、拖拉安裝太陽(yáng)電池翼和維修故障部件。為衛(wèi)星加注燃料時(shí)，可以將待加注的衛(wèi)星轉(zhuǎn)移到墓地軌道，由于這一軌道足夠高，對(duì)靜止軌道衛(wèi)星不會(huì)形成風(fēng)險(xiǎn)，加注后再拖回靜止軌道。

國(guó)際通信衛(wèi)星公司的意向無疑給這一軌道服務(wù)計(jì)劃增大了發(fā)展的砝碼。“空間基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)”飛行器將裝載2000kg燃料，而國(guó)際通信衛(wèi)星公司同意購(gòu)買2000k g燃料中的一半。這1000k g燃料可為在靜止軌道上正常工作的4～5顆通信衛(wèi)星延長(zhǎng)2～3年壽命。加拿大麥德聯(lián)合有限公司已經(jīng)進(jìn)行了幾年的技術(shù)開發(fā)，如果沒有其他客戶，國(guó)際通信衛(wèi)星公司需要投資近3億美元。國(guó)際通信衛(wèi)星公司已同意承擔(dān)這一客戶角色，發(fā)射前開始付款，而大多數(shù)資金要在證實(shí)衛(wèi)星在軌道上獲得具體數(shù)量的推進(jìn)劑以后付給。國(guó)際通信衛(wèi)星公司為了“空間基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)”計(jì)劃組建了2支隊(duì)伍，并以此項(xiàng)目作為向美國(guó)航空航天局技術(shù)驗(yàn)證計(jì)劃投標(biāo)的申請(qǐng)，也計(jì)劃解決組裝衛(wèi)星再加注燃料的結(jié)構(gòu)、發(fā)射投資以及執(zhí)行任務(wù)需要在靜止軌道弧段持續(xù)幾個(gè)月帶來的其他問題，如組裝衛(wèi)星加注燃料的結(jié)構(gòu)，發(fā)射和在靜止軌道弧段至少持續(xù)幾個(gè)月任務(wù)的資金等問題。

然而，該計(jì)劃還存在諸多問題，例如：假使商業(yè)化的軌道服務(wù)出現(xiàn)意外，或者加拿大麥德聯(lián)合有限公司的飛行器損壞了用戶衛(wèi)星，可能在靜止軌道上留下碎片等事件發(fā)生時(shí)誰(shuí)承擔(dān)責(zé)任等問題還需要進(jìn)一步解決。由于不確定因素太多，2012年1月兩家公司結(jié)束了其在2011年3月簽署的2.8億美元的衛(wèi)星軌道壽命延長(zhǎng)服務(wù)協(xié)議。

“維維衛(wèi)星”（ViviSat）技術(shù)驗(yàn)證

“維維衛(wèi)星”是2012年初阿連特技術(shù)系統(tǒng)（A T K）公司和美國(guó)空間公司（LLC）宣布的聯(lián)合投資項(xiàng)目，這是一個(gè)涉及簡(jiǎn)單技術(shù)譜系終端操作項(xiàng)目，研制“任務(wù)延長(zhǎng)飛行器”（MEV），旨在向靜止軌道衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商提供軌道任務(wù)延長(zhǎng)能力。目前，“任務(wù)延長(zhǎng)飛行器”按計(jì)劃進(jìn)入設(shè)計(jì)階段，該飛行器可附著在衛(wèi)星上，甚至代替衛(wèi)星保持在軌運(yùn)行，從而使衛(wèi)星在燃料耗盡后能夠延長(zhǎng)壽命。

商業(yè)公司紛紛加入“鳳凰”計(jì)劃

（1）阿蒂斯（Altius）空間機(jī)械公司

阿蒂斯空間機(jī)械公司為“鳳凰”計(jì)劃研制和集成可展開、可收攏的管狀臂（STEM），管狀臂作為態(tài)勢(shì)感知攝像機(jī)和光照的平臺(tái)，也作為部件拆解和再構(gòu)操作期間減少目標(biāo)飛行器部件不良震動(dòng)的手段。管狀臂利用復(fù)合材料，構(gòu)成能從存儲(chǔ)盤卷中拉出管線的保護(hù)管，使得長(zhǎng)臂可以展開，也能收攏進(jìn)緊湊的殼子中。管狀臂的管和展開硬件由Roccor LLC公司研制，安裝在臂頂端攝像機(jī)和敏感器裝置由Ecliptic公司研制，科羅拉多大學(xué)研究隨動(dòng)控制算法和機(jī)器人控制軟件。阿蒂斯空間機(jī)械公司正在研究利用粘性桁架對(duì)非合作目標(biāo)進(jìn)行捕獲的技術(shù)所需的交會(huì)對(duì)接方案，可用于空間站、推進(jìn)劑庫(kù)、載人航天、衛(wèi)星服務(wù)和其他應(yīng)用。

（2）“蜜蜂”（Honeybee）機(jī)器人飛行器機(jī)械公司

該公司研制能用于衛(wèi)星交會(huì)對(duì)接的新型機(jī)器人、多種類型的抓捕器和端點(diǎn)動(dòng)作器。第一階段研制和交付兩種不同類型的端點(diǎn)動(dòng)作器樣機(jī)，能使服務(wù)衛(wèi)星在靜止軌道與通信衛(wèi)星對(duì)接并施以操作。勞拉空間系統(tǒng)(SS/L)公司研究確定什么樣的小衛(wèi)星可以作為商業(yè)衛(wèi)星搭載的有效載荷，分析和確定整個(gè)計(jì)劃的關(guān)鍵系統(tǒng)，特別是研究和驗(yàn)證協(xié)作性拆解和重復(fù)利用的關(guān)鍵技術(shù)。

（3）阿連特技術(shù)系統(tǒng)公司

“鳳凰”計(jì)劃的集成承包商海軍研究實(shí)驗(yàn)室(NRL)希望阿連特技術(shù)系統(tǒng)公司能夠改造現(xiàn)在由美國(guó)研制、美國(guó)政府擁有的靜止軌道衛(wèi)星平臺(tái)，用于“鳳凰”任務(wù)。阿連特技術(shù)系統(tǒng)公司研制的新平臺(tái)能支持最少1年的試驗(yàn)，進(jìn)行機(jī)器人交會(huì)和接近操作、抓捕目標(biāo)和維修機(jī)器人技術(shù)等驗(yàn)證，將于2014年10月交付給海軍研究實(shí)驗(yàn)室，用于飛行器的總裝和試驗(yàn)。2006－2011年，國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局為該公司投入6000萬(wàn)美元研制“近期能驗(yàn)證的前端機(jī)器人”（FREND）。阿連特技術(shù)系統(tǒng)公司和馬里蘭大學(xué)空間系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室(SSL)合作，研發(fā)機(jī)器人服務(wù)工具和軟件，實(shí)現(xiàn)非功能衛(wèi)星上天線和其他可用部件的拆解。ATK公司研制的硬件包括衛(wèi)星捕獲工具（SCT）和孔徑抓獲、服務(wù)工具（AGST）。這些工具主要提供衛(wèi)星抓獲和控制以及拆解操作等應(yīng)用。

阿連特技術(shù)系統(tǒng)公司和美國(guó)空間公司在合作研制“維維衛(wèi)星”，研制延長(zhǎng)飛行器，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)“任務(wù)延長(zhǎng)飛行器”和待拆解衛(wèi)星的機(jī)器人對(duì)接，下一步再設(shè)計(jì)成軌道服務(wù)，軌道服務(wù)可以使用戶衛(wèi)星任務(wù)延長(zhǎng)至15年。結(jié)合阿連特技術(shù)系統(tǒng)公司機(jī)器人交會(huì)和接近操作（RPO）實(shí)驗(yàn)室的新工藝技術(shù)，可以為促進(jìn)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局的研制技術(shù)，并形成適用于具體商業(yè)和軍事用戶的新能力提供手段。在過去20年里，阿連特技術(shù)系統(tǒng)公司為軌道服務(wù)研制了140套工具，有效地支持了載人和機(jī)器人服務(wù)飛行器，并繼續(xù)保持在衛(wèi)星服務(wù)工具和技術(shù)發(fā)展領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。

（4）極光（Aurora）飛行科學(xué)公司

該公司為“鳳凰”計(jì)劃研制“微小衛(wèi)星”的構(gòu)型。極光飛行科學(xué)公司和麻省理工學(xué)院（MIT）、噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）合作研制用于“微小衛(wèi)星”自身定位到退役飛行器天線的附著機(jī)構(gòu)樣機(jī)。極光飛行科學(xué)公司還計(jì)劃研制實(shí)現(xiàn)天線精確定位和精確指向的分布式控制系統(tǒng)，該公司還負(fù)責(zé)“微小衛(wèi)星”的設(shè)計(jì)和總裝，以及樣機(jī)試驗(yàn)。麻省理工學(xué)院將提供控制部分設(shè)計(jì)的專門技術(shù)和“微小衛(wèi)星”指向天線所需要的微推進(jìn)技術(shù)。噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室則負(fù)責(zé)相關(guān)的軟件開發(fā)、驗(yàn)證和測(cè)試。

（5）其他公司的軌道服務(wù)技術(shù)

國(guó)際通信衛(wèi)星公司研制向軌道運(yùn)送微小衛(wèi)星所需要的接口，這些微小衛(wèi)星將作為該公司大型商業(yè)通信衛(wèi)星的搭載有效載荷發(fā)射。Nova Wurk s公司研制超級(jí)集成化的“微小衛(wèi)星”系統(tǒng)。噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室將提供稱為“壁虎爪”的抓捕器。勞拉空間系統(tǒng)公司研究在商業(yè)通信衛(wèi)星發(fā)射時(shí)如何搭載運(yùn)送微小衛(wèi)星到靜止軌道，然后再?gòu)拇钶d有效載荷的裝置中拖拽這些微小衛(wèi)星的途徑和技術(shù)方案。