空間在軌服務(wù)技術(shù)及發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

+ 王曉海 空間電子信息技術(shù)研究院 空間微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

?

空間在軌服務(wù)技術(shù)及發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

+ 王曉海 空間電子信息技術(shù)研究院 空間微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

【摘 要】本文首先介紹在軌服務(wù)技術(shù)的概念內(nèi)涵與重要意義，重點(diǎn)研究探討國(guó)外在軌服務(wù)技術(shù)最新發(fā)展現(xiàn)狀，分析總結(jié)在軌服務(wù)技術(shù)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

【關(guān)鍵詞】在軌服務(wù) 演示驗(yàn)證 試驗(yàn)衛(wèi)星 地球靜止軌道GEO 空間機(jī)器人

1　在軌操作與在軌服務(wù)

1.1在軌操作

在軌操作泛指在空間環(huán)境中，航天器為完成空間任務(wù)而進(jìn)行的空間操作活動(dòng)的統(tǒng)稱。這里的空間任務(wù)專指應(yīng)用任務(wù)，而不包括演示驗(yàn)證任務(wù)，因?yàn)檠菔掘?yàn)證任務(wù)的目的是進(jìn)行技術(shù)能力驗(yàn)證，為應(yīng)用任務(wù)做準(zhǔn)備。根據(jù)當(dāng)前在軌操作涉及的應(yīng)用范疇，將空間任務(wù)分為以下3類：軌道機(jī)動(dòng)、在軌服務(wù)及軌道清理。

①軌道機(jī)動(dòng)可分為：軌道保持、軌道改變以及空間威脅規(guī)避等。軌道保持是指航天器為克服空間攝動(dòng)或其他外力引起的軌道變化并維持其正常工作軌道而采取的一系列控制措施；軌道改變是指航天器由于任務(wù)的變化而導(dǎo)致轉(zhuǎn)移至新的運(yùn)行軌道的過(guò)程；空間威脅規(guī)避是指航天器為了避免與空間碎片或其他航天器發(fā)生碰撞而臨時(shí)改變運(yùn)行軌道，并在威脅解除后恢復(fù)至原正常工作軌道的過(guò)程。

②在軌服務(wù)是指服務(wù)航天器攜帶設(shè)備裝置與目標(biāo)航天器發(fā)生相互作用的過(guò)程，進(jìn)而達(dá)到服務(wù)的目的。隨著載人航天技術(shù)的發(fā)展和逐漸成熟，在軌服務(wù)的概念也隨著延伸擴(kuò)展，今天在軌服務(wù)則是指在空間通過(guò)人、機(jī)器人或兩者協(xié)同完成的空間操作。在軌服務(wù)是在軌操作技術(shù)的主要應(yīng)用方向，它能有效延長(zhǎng)航天器在軌壽命。

③軌道清理主要是指為改善空間環(huán)境而進(jìn)行的空間碎片及失效衛(wèi)星等非合作目標(biāo)的監(jiān)測(cè)與清理（輔助離軌）等工作。

1.2在軌服務(wù)

在軌服務(wù)包括由服務(wù)飛行器對(duì)目標(biāo)航天器實(shí)施在軌補(bǔ)給、功能擴(kuò)展、碎片清除和故障維修等操作。在軌補(bǔ)給是指對(duì)在軌航天器消耗品進(jìn)行補(bǔ)給，補(bǔ)給方式包括對(duì)航天器在軌加注、貯箱等單元更換等。功能擴(kuò)展是指將分批獨(dú)立發(fā)射入軌的航天器艙段和部件進(jìn)行對(duì)接、組裝和展開(kāi)，實(shí)現(xiàn)大型衛(wèi)星的功能增強(qiáng)。故障維修是指對(duì)航天器進(jìn)行在軌檢查、維修和部件更換，常規(guī)維護(hù)包括檢查、測(cè)試、定標(biāo)等工作內(nèi)容；異常維護(hù)包括維修和故障部件更換等工作內(nèi)容；升級(jí)維護(hù)則包括用高性能的部件替換現(xiàn)有部件，或補(bǔ)充新的部件。碎片清除主要對(duì)滯留在重要軌道上的廢棄衛(wèi)星，以輔助變軌方式騰出軌位。

在軌服務(wù)為空間任務(wù)的實(shí)施提供了更多選擇，其意義主要表現(xiàn)在于：①實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)方式不可能實(shí)現(xiàn)的空間任務(wù)；②降低航天任務(wù)的初始成本；③通過(guò)降低風(fēng)險(xiǎn)來(lái)提高在軌系統(tǒng)的性能；④增強(qiáng)在軌系統(tǒng)功能靈活性和適應(yīng)性。

此外，在軌服務(wù)技術(shù)的軍事意義也顯而易見(jiàn)。在以信息化為特點(diǎn)的新軍事變革時(shí)期，在軌服務(wù)技術(shù)在軍事航天領(lǐng)域的應(yīng)用能夠有效提高空間戰(zhàn)略威懾力。對(duì)各種軍用偵察衛(wèi)星、導(dǎo)航衛(wèi)星、通信衛(wèi)星甚至即將出現(xiàn)的空間機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)平臺(tái)進(jìn)行在軌維護(hù)和服務(wù)，能夠有效地提高空間態(tài)勢(shì)感知能力、第一時(shí)間情報(bào)獲取能力和應(yīng)急作戰(zhàn)能力。同時(shí)，在軌服務(wù)系統(tǒng)在戰(zhàn)時(shí)可以適時(shí)參與空間作戰(zhàn)，對(duì)敵方航天器實(shí)施空間干擾、捕獲或損毀，從而保證我方掌握制天權(quán)和制信息權(quán)，提升空間作戰(zhàn)部隊(duì)的整體戰(zhàn)斗力。

2　空間在軌服務(wù)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1973年5月-7月，兩批美國(guó)航天員出艙對(duì)艙外熱控和太陽(yáng)電池翼進(jìn)行了成功的維修，挽救了重達(dá)一百噸的“天空實(shí)驗(yàn)室”，實(shí)現(xiàn)了人類歷史上第一次艙外在軌維修服務(wù)。

自20世紀(jì)60年代提出概念以來(lái)，在軌服務(wù)技術(shù)迄今已經(jīng)歷四十多年的發(fā)展歷程。期間各國(guó)航天機(jī)構(gòu)開(kāi)展了一系列地面、空間實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用研究，取得了豐碩的成果，并顯示出了巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益和良好的應(yīng)用前景。在軌服務(wù)技術(shù)發(fā)展至今，世界各國(guó)已經(jīng)進(jìn)行過(guò)和正在開(kāi)展有多項(xiàng)在軌服務(wù)項(xiàng)目的試驗(yàn)驗(yàn)證。本文主要研究探討無(wú)人在軌服務(wù)項(xiàng)目。

2.1美國(guó)在軌服務(wù)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

美國(guó)在在軌服務(wù)技術(shù)領(lǐng)域遙遙領(lǐng)先世界其他各國(guó)，已開(kāi)展和正在進(jìn)行與計(jì)劃開(kāi)展的在軌服務(wù)項(xiàng)目主要有“自主交會(huì)技術(shù)驗(yàn)證衛(wèi)星”（Demonstration Autonomous Rendezvous Technology，DART）、“試驗(yàn)衛(wèi)星服務(wù)系統(tǒng)”（Experimental Small Satellite，XSS）、“軌道快車”（Orbital Express，OE）、“微小衛(wèi)星技術(shù)試驗(yàn)”（Micro-Satellite Technology Experiment，MiTEx）、“軌道通用軌道修正航天器”（Spacecraft for the Universal Modification of Orbits，SUMO）、“前端機(jī)器人使能近期演示驗(yàn)證”（The Front end Robotics Enabling Next-term Demonstration，F(xiàn)REND）、“鳳凰”（Phoenix）及“詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡”（James Web Space Telescope，JWST）等。未來(lái)，美國(guó)以“有限目標(biāo)，滾動(dòng)發(fā)展；循序漸進(jìn)、逐步突破”的思路作為空間自主在軌服務(wù)技術(shù)的發(fā)展方向。

圖1　美國(guó)在軌服務(wù)項(xiàng)目現(xiàn)狀

圖2　日本在軌服務(wù)項(xiàng)目現(xiàn)狀（左）及中長(zhǎng)期在軌服務(wù)發(fā)展規(guī)劃（右）

DART計(jì)劃是美國(guó)航空航天局（NASA）提出的旨在驗(yàn)證自主空間交會(huì)技術(shù)。DART衛(wèi)星的任務(wù)是在軌道上與目標(biāo)衛(wèi)星進(jìn)行一系列自主交會(huì)、逼近和繞飛操作，驗(yàn)證其敏感器、推進(jìn)系統(tǒng)、控制器及軟件的性能。

XSS計(jì)劃是美國(guó)空軍提出的“模塊在軌服務(wù)概念”研究計(jì)劃。目前，已經(jīng)公布的XSS系列衛(wèi)星有XSS-10和XSS-11。XSS-10的任務(wù)目標(biāo)是演示驗(yàn)證自主導(dǎo)航、近距離交會(huì)以及目標(biāo)監(jiān)視技術(shù)；XSS-11衛(wèi)星研究了包括在軌維護(hù)、修理和補(bǔ)給在內(nèi)的多種具有前景的太空應(yīng)用。

OE計(jì)劃演示試驗(yàn)包括：分離至預(yù)定距離，交會(huì)、接近和捕獲，對(duì)接及相關(guān)操作。處于分離狀態(tài)下的操作內(nèi)容包括：分離，遠(yuǎn)場(chǎng)交會(huì)，近場(chǎng)交會(huì)，接近操作，最終逼近以及捕獲；處于對(duì)接狀態(tài)下的操作內(nèi)容有：電池傳送，計(jì)算機(jī)移除與替換，燃料傳輸。

MiTEx項(xiàng)目由DARPA、美國(guó)空軍USAF和美國(guó)海軍USN共同負(fù)責(zé)，用于演示驗(yàn)證效費(fèi)比高、重量輕的貨架化組件技術(shù)，包含電源系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、綜合電子系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)等組件技術(shù)，以及在發(fā)射和軌道運(yùn)行環(huán)境中應(yīng)用的高級(jí)通信與軟件技術(shù)。值得注意的是，MiTEx可用于GEO衛(wèi)星的精細(xì)編目、近距離監(jiān)視等軍事用途。

SUMO項(xiàng)目由DARPA支持、海軍研究實(shí)驗(yàn)室NRL主要負(fù)責(zé)，其主要是利用機(jī)器視覺(jué)、機(jī)器人、機(jī)構(gòu)、自主控制算法等技術(shù)，驗(yàn)證自主交會(huì)對(duì)接、抓捕未來(lái)衛(wèi)星各種不同類型接口的服務(wù)操作能力。SUMO項(xiàng)目原計(jì)劃于2008年進(jìn)行飛行演示驗(yàn)證，后于2006年更名為RREND，意為近期可演示驗(yàn)證的機(jī)器人技術(shù)，但至今尚未進(jìn)行飛行演示驗(yàn)證。

從功能上看，F(xiàn)REND計(jì)劃是研制了一種空間機(jī)器人，其主要作用包括：①對(duì)于合作目標(biāo)的航天器，能夠進(jìn)行在軌維修、轉(zhuǎn)移并安裝替換單元、補(bǔ)充燃料等；②對(duì)于非合作目標(biāo)的航天器，能夠進(jìn)行位置保持、姿態(tài)控制、軌道轉(zhuǎn)移和修正。

在FREND項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，DARPA又提出了“鳳凰”計(jì)劃，力圖通過(guò)創(chuàng)新發(fā)射、部署方式的突破，探索新型在軌服務(wù)模式，建立起一個(gè)面向重復(fù)利用的在軌服務(wù)支援體系。“鳳凰”計(jì)劃的設(shè)想是發(fā)展一種從廢棄衛(wèi)星上搶救、再利用零部件（如天線）并重新構(gòu)造一顆新衛(wèi)星的技術(shù)。

JWST是美國(guó)深空探測(cè)計(jì)劃中的紅外線太空望遠(yuǎn)鏡，作為將于2010年結(jié)束觀測(cè)活動(dòng)的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的后續(xù)機(jī)。該深空軌道大型望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目是歐洲空間局（ESA）和美國(guó)宇航局（NASA）的共用計(jì)劃，將被放置于太陽(yáng)─地球的第二拉格朗日點(diǎn)。

機(jī)器人航天員2（Robonaut 2，R2）由NASA約翰遜空間中心機(jī)器人系統(tǒng)技術(shù)部與美國(guó)通用動(dòng)力公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)，其目的是在人附近安全可靠地工作（和人協(xié)同工作）、用于代替航天員進(jìn)行艙外作業(yè)，以及從事其他太空研究和探索工作。

2.2日本在軌服務(wù)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

日本是較早開(kāi)展空間在軌服務(wù)技術(shù)研究的國(guó)家之一，其中，已經(jīng)開(kāi)展的在軌服務(wù)項(xiàng)目包括MFD項(xiàng)目及搭載于“工程技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星”（Experiment Test Satellite-VII，ETS-VII）上的世界上第一個(gè)真正的自由飛行空間機(jī)器人項(xiàng)目；正在開(kāi)展的項(xiàng)目包括“日本實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂”（Japan Experiment Module Remote Manipulator System，JEMRMS）項(xiàng)目和“運(yùn)載飛船”（H-ⅡTransfer Vehicle，HTV）項(xiàng)目。

MFD是日本的第一個(gè)空間機(jī)器人臂飛行實(shí)驗(yàn)，于1997年在NASA的“發(fā)現(xiàn)號(hào)”航天飛機(jī)上進(jìn)行，用于演示JEMRMS的SFA機(jī)器人臂的功能和性能。

圖3　加拿大在軌服務(wù)項(xiàng)目現(xiàn)狀（左）及中長(zhǎng)期在軌服務(wù)發(fā)展規(guī)劃（右）

ETS-VII完成了機(jī)械臂校準(zhǔn)、衛(wèi)星姿態(tài)與機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)控制、空間機(jī)械手漂浮物體抓取、撥動(dòng)開(kāi)關(guān)、機(jī)器人柔順控制下的銷釘插孔、桁架組裝、模擬更換ORU和燃料補(bǔ)給、視覺(jué)監(jiān)測(cè)、目標(biāo)星操作與捕獲等試驗(yàn)任務(wù)。此外，ETS-VII還進(jìn)行了無(wú)人情況下的自主RVD和艙外空間機(jī)器人遙操作實(shí)驗(yàn)。

JEMRMS是一個(gè)用于空間操作的機(jī)器人系統(tǒng)，它將被安裝在ISS日本實(shí)驗(yàn)艙的常壓模塊PM （Pressurized Module）上，用作JEM的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)或者支持JEM的維修服務(wù)。

HTV是一種無(wú)人軌道貨運(yùn)飛行器，其設(shè)計(jì)目的是向國(guó)際空間站運(yùn)送貨物并攜帶站上的垃圾（廢棄設(shè)備、舊衣物和其他垃圾）返回，在再入大氣時(shí)燒毀。

在新型在軌服務(wù)系統(tǒng)研究方面，日本國(guó)家信息和通信技術(shù)研究中心（National Institute of Information and Communications Technology，NICT）于2004年提出了“軌道維護(hù)系統(tǒng)”（Orbital Maintenance System，OMS）。OMS是一個(gè)對(duì)通信衛(wèi)星進(jìn)行在軌監(jiān)測(cè)、維護(hù)及離軌等操作的衛(wèi)星服務(wù)系統(tǒng)，并可用于處理空間碎片和保護(hù)空間環(huán)境。

此外，日本還提出了“空間碎片清理者”（Space Debris Micro Remover，SDMR）等幾種未來(lái)在軌服務(wù)的新概念。SDMR主要用于驗(yàn)證電力繩系系統(tǒng)（Electro Dynamic Tether，EDT）移除空間碎片的關(guān)鍵技術(shù)及對(duì)大尺寸空間碎片進(jìn)行捕獲和離軌操作的可行性，演示幾種空間碎片移除操作：與碎片物體進(jìn)行交會(huì)并測(cè)量其運(yùn)動(dòng)，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行繞飛、接近并捕獲，用可展開(kāi)的折疊包絡(luò)臂捕獲目標(biāo)，伸展開(kāi)固定在折疊包絡(luò)臂根部的電力繩系系統(tǒng)，自助控制繩系系統(tǒng)進(jìn)行降軌。

2.3加拿大在軌服務(wù)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

加拿大在在軌服務(wù)方面開(kāi)展的項(xiàng)目主要是“遙機(jī)械臂系統(tǒng)”（Shuttle Remote Manipulator System，SRMS）以及用于國(guó)際空間站的“移動(dòng)服務(wù)系統(tǒng)”（Mobile Serving System，MSS）。

加拿大的空間機(jī)器人項(xiàng)目的開(kāi)展以國(guó)際空間站和航天飛機(jī)為載體。加拿大SPAR公司研制的航天飛機(jī)遙機(jī)械臂系統(tǒng)SRMS（也稱為加拿大臂Canadarm），是世界上第一個(gè)實(shí)用的空間機(jī)械臂。通過(guò)航天飛機(jī)上操作員的操作，SRMS實(shí)現(xiàn)了對(duì)哈勃望遠(yuǎn)鏡的維修、部件更換與升級(jí)、國(guó)際空間站建造等大量在軌服務(wù)任務(wù)，是迄今為止最為成功的空間機(jī)器人系統(tǒng)。

在SRMS成功的基礎(chǔ)上，加拿大SPAR公司繼續(xù)開(kāi)發(fā)了空間站遙操作機(jī)械臂系統(tǒng)SSRMS和靈巧機(jī)械臂SPDM。SPDM是SSRMS臂的靈巧手，用來(lái)完成一些更加精細(xì)的裝配操作。SPDM控制系統(tǒng)具有三種操作模式：主從模式、單關(guān)節(jié)模式和自動(dòng)軌跡模式。SSMRS 和SPDM系統(tǒng)是目前功能最為強(qiáng)大的空間機(jī)器人，并成為國(guó)際空間站建造與維護(hù)的主要工具。

此外，加拿大也在積極探討未來(lái)在自由飛行機(jī)器人和深空探測(cè)（主要與NASA合作）方面的在軌服務(wù)機(jī)會(huì)。從上圖（右）“加拿大中長(zhǎng)期在軌服務(wù)發(fā)展規(guī)劃”可以看出，加拿大開(kāi)始重視未來(lái)新型航天器在軌服務(wù)需求，包括：①未來(lái)大型科學(xué)衛(wèi)星、太空望遠(yuǎn)鏡的服務(wù)；②重視GEO及深空軌道航天器的服務(wù)；③重視各種操作工具、控制方法的研究。

“GEO延壽系統(tǒng)”方案設(shè)想是利用機(jī)械臂捕獲目標(biāo)的遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管形成剛性組合體，然后再打開(kāi)目標(biāo)衛(wèi)星的注排閥門，插入軟管泵入適量燃料。另外，該系統(tǒng)還具備簡(jiǎn)單的維修功能，能夠排除太陽(yáng)電池翼打開(kāi)等故障。

2.4德國(guó)在軌服務(wù)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

德國(guó)一直很重視空間機(jī)器人方面的研究，到目前為止，已進(jìn)行過(guò)和正在開(kāi)展的空間在軌服務(wù)項(xiàng)目主要有“機(jī)器人技術(shù)試驗(yàn)”（RObot Technology EXperiment，ROTEX）、“試驗(yàn)服務(wù)衛(wèi)星”（Experimental Servicing Satellite，ESS）、“國(guó)際空間站機(jī)器人組件驗(yàn)證”（Robotics Component Verification on ISS，ROKVISS）、“空間系統(tǒng)演示驗(yàn)證技術(shù)衛(wèi)星”（Technology Satellite for Demonstration and Verification of Space System，TECSAS）、“德國(guó)在軌服務(wù)任務(wù)”（DEutsche Orbital Servicing Mission，DEOS）、“軌道壽命延長(zhǎng)飛行器”（Orbital Life Extension Vehicle，OLEV）。

ROTEX是德國(guó)的第一個(gè)空間在軌服務(wù)機(jī)器人，也是世界上第一個(gè)具有地面遙操作能力的空間機(jī)器人系統(tǒng)，可工作于自主模式、宇航員操作模式和各種地面遙操作模式，主要演示驗(yàn)證各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。ROTEX只是一個(gè)艙內(nèi)機(jī)器人，但所采用的多傳感器手爪、基于預(yù)測(cè)的立體圖像仿真等技術(shù)方案，代表了其后的空間機(jī)器人發(fā)展方向。

圖4　德國(guó)在軌服務(wù)項(xiàng)目

ESS計(jì)劃旨在利用試驗(yàn)衛(wèi)星上的機(jī)械臂對(duì)地球靜止軌道上的非合作目標(biāo)進(jìn)行在軌服務(wù)。具體任務(wù)包括：對(duì)目標(biāo)衛(wèi)星的監(jiān)測(cè)，接近、捕獲并與目標(biāo)星對(duì)接，目標(biāo)星的維修以及釋放等。ESS上安裝有一個(gè)機(jī)械臂，用于試驗(yàn)機(jī)械臂的遙操作控制技術(shù)，完成對(duì)故障衛(wèi)星的捕獲、檢查和維修

ROKVISS是一個(gè)機(jī)械臂，它被安裝在ISS上的俄羅斯艙外進(jìn)行在軌實(shí)驗(yàn)，主要完成關(guān)節(jié)元件的空間驗(yàn)證、現(xiàn)場(chǎng)遙操作模式的驗(yàn)證、地面遙操作模式驗(yàn)證等。按照設(shè)計(jì)，德國(guó)的地面控制中心和空間站“星辰”號(hào)服務(wù)艙內(nèi)的電腦可以近乎實(shí)時(shí)地操縱機(jī)械臂，使其在空間站外部進(jìn)行一些危險(xiǎn)、繁重的安裝和維修工作。

TECSAS用于驗(yàn)證空間機(jī)器人的在軌服務(wù)技術(shù)，最初預(yù)定演示諸如接近和交會(huì)、繞飛監(jiān)測(cè)、編隊(duì)飛行、機(jī)器人捕獲、耦合航天器對(duì)（即捕獲目標(biāo)星后整個(gè)復(fù)合體）的機(jī)動(dòng)飛行等試驗(yàn)，但該項(xiàng)目一直沒(méi)有實(shí)質(zhì)進(jìn)展，于2006年9月正式停止，轉(zhuǎn)而啟動(dòng)為DEOS項(xiàng)目。

DEOS項(xiàng)目將主要用于驗(yàn)證對(duì)處于低地軌道上的失控翻滾非合作目標(biāo)航天器進(jìn)行捕獲，并使航天器組合體在可控狀態(tài)下脫離運(yùn)行軌道。值得注意的是該項(xiàng)目是以GEO衛(wèi)星為服務(wù)對(duì)象的，但前期將先在LEO軌道上開(kāi)展演示，以驗(yàn)證翻滾非合作目標(biāo)的自主捕獲、對(duì)接等關(guān)鍵技術(shù)。

OLEV項(xiàng)目是一個(gè)商業(yè)項(xiàng)目，最初名稱為“空間壽命延長(zhǎng)系統(tǒng)”（Space Life Extension System，SLES）。OLEV目標(biāo)是通過(guò)與目標(biāo)星對(duì)接，接管目標(biāo)星的姿態(tài)和軌道控制，同時(shí)為目標(biāo)星加注燃料，用于挽救在軌道定位操作中擱淺的衛(wèi)星和延長(zhǎng)衛(wèi)星壽命。

2.5歐空局在軌服務(wù)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

歐空局在航天器在軌服務(wù)技術(shù)領(lǐng)域開(kāi)展了一定的工作，但從未開(kāi)展過(guò)在軌實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。其空間在軌服務(wù)項(xiàng)目主要有“地球靜止軌道服務(wù)飛行器”（Geostationary Service Vehicle，GSV）、“歐洲機(jī)械臂”（The European Robotic Arm，ERA）、“自動(dòng)運(yùn)輸飛行器”（Automated Transfer Vehicle，ATV）、“地球靜止軌道清理機(jī)器人”（RObotic GEostationary orbit Restorer，ROGER）等。

GSV主要用于對(duì)GEO衛(wèi)星進(jìn)行目標(biāo)監(jiān)視、燃料加注、模塊更換和輔助離軌等功能，但GSV并沒(méi)有進(jìn)入實(shí)際工程階段，而僅開(kāi)展了概念設(shè)計(jì)。

ATV可以同國(guó)際空間站自主交會(huì)對(duì)接，并為其提供貨物、飲用水、食物、空氣以及推進(jìn)劑的補(bǔ)給。對(duì)接之后，還可以為ISS提供軌道和姿態(tài)調(diào)整。

ERA項(xiàng)目從1999年開(kāi)始實(shí)施，它是一個(gè)可重定位的機(jī)械臂，主要用于完成空間站裝配、檢測(cè)、更換部件等操作。

ROGER旨在研究捕獲GEO非合作目標(biāo)衛(wèi)星并輔助其離軌等技術(shù)。其驗(yàn)證的關(guān)鍵技術(shù)包括空間交會(huì)、目標(biāo)測(cè)量、飛網(wǎng)/飛爪捕獲技術(shù)以及組合體控制技術(shù)。該計(jì)劃的研究也未能繼續(xù)開(kāi)展下去，但其思想引起了國(guó)際航天界的廣泛關(guān)注。

此外，ESA與DLR及宇宙（Kosmas）公司合作開(kāi)展了“赫爾墨斯”（Hermes）計(jì)劃，探索研究在軌的燃料收集和加注技術(shù)。Hermes計(jì)劃收集空間在軌廢棄航天器上的燃料，然后給需要燃料的GEO通信衛(wèi)星進(jìn)行燃料加注。Hermes計(jì)劃目前還處在概念論證階段。

3　空間在軌服務(wù)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

通過(guò)以上對(duì)各國(guó)在軌服務(wù)項(xiàng)目及其未來(lái)發(fā)展規(guī)劃的介紹分析可以看出，未來(lái)在軌服務(wù)的發(fā)展趨勢(shì)主要集中在如下幾點(diǎn)：

①服務(wù)的軌道范圍更廣。結(jié)合美國(guó)大力開(kāi)展深空探測(cè)、太空中轉(zhuǎn)/后勤基地的實(shí)際情況，美國(guó)在軌服務(wù)技術(shù)的發(fā)展呈現(xiàn)出從低軌到高軌再到深空的漸進(jìn)式在軌服務(wù)發(fā)展態(tài)勢(shì)。

②更大的目標(biāo)航天器。未來(lái)將出現(xiàn)各種大型、超大型航天器/空間站，這些航天器必然面臨著在軌組裝、在軌維護(hù)等操作任務(wù)，因此，需要開(kāi)展面向此類大型航天器的在軌服務(wù)技術(shù)研究。

③更多、更復(fù)雜的服務(wù)內(nèi)容。隨著航天技術(shù)的發(fā)展和模塊化空間系統(tǒng)的建設(shè)，對(duì)未來(lái)系統(tǒng)的升級(jí)改造使在軌服務(wù)從單一服務(wù)內(nèi)容、單次服務(wù)頻率向多次復(fù)雜、多次服務(wù)頻率發(fā)展。

④更多數(shù)量、更多類型的服務(wù)對(duì)象。未來(lái)大量規(guī)模龐大的空間系統(tǒng)（如采用星座、分布式部署、編隊(duì)等形式的空間系統(tǒng)）的建設(shè)，大大增加了在軌服務(wù)對(duì)象的數(shù)量和類型，需要考慮采用更經(jīng)濟(jì)、更高效的在軌服務(wù)方式。

⑤空間機(jī)器人技術(shù)在在軌服務(wù)中的應(yīng)用取得了卓越成果并且作用越來(lái)越重要和突出，應(yīng)用也越來(lái)越廣泛普及。到目前為止，國(guó)外開(kāi)展的與空間機(jī)器人技術(shù)相關(guān)的項(xiàng)目共27項(xiàng)，其中15項(xiàng)進(jìn)行了在軌演示驗(yàn)證?？臻g機(jī)器人技術(shù)覆蓋了空間平臺(tái)技術(shù)、空間機(jī)械手技術(shù)、遙操作技術(shù)、目標(biāo)捕獲跟蹤與測(cè)量技術(shù)、復(fù)合體動(dòng)力學(xué)技術(shù)、復(fù)合控制技術(shù)等多個(gè)方面，技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)多，難度大。

⑥非合作目標(biāo)捕獲技術(shù)成為新的發(fā)展重點(diǎn)。由于早期航天器以及空間碎片并不具備專門的捕獲機(jī)構(gòu)，因此非合作目標(biāo)捕獲技術(shù)是對(duì)其進(jìn)行在軌服務(wù)或者清理的前提。

4　結(jié)語(yǔ)

從國(guó)外在軌服務(wù)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀可以看出，在軌服務(wù)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于空間任務(wù)，并取得了良好效果。GEO衛(wèi)星是未來(lái)在軌服務(wù)的主要對(duì)象，針對(duì)GEO衛(wèi)星進(jìn)行在軌服務(wù)操作，不僅可以獲得顯著的經(jīng)濟(jì)效益，而且在促進(jìn)國(guó)防建設(shè)、空間技術(shù)的發(fā)展上具有重要意義。我國(guó)在航天領(lǐng)域正面臨新的重要機(jī)遇和挑戰(zhàn)。因此，我國(guó)應(yīng)科學(xué)規(guī)劃在軌服務(wù)技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略，推進(jìn)在軌服務(wù)技術(shù)演示驗(yàn)證，促進(jìn)在軌服務(wù)技術(shù)的應(yīng)用，提升航天任務(wù)效益。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳小前、袁建平、姚雯等 航天器在軌服務(wù)技術(shù)[M] 北京中國(guó)宇航出版社 2009年

[2] 趙陽(yáng)、張大偉、田浩、關(guān)英姿“飛行器在軌服務(wù)”《上海航天》2009年第3期 pp38－42

[3] 蔡遠(yuǎn)文、郭會(huì)、李巖“航天器在軌組裝技術(shù)進(jìn)展”《兵工自動(dòng)化》2009年第28卷第10期 pp6－9

[4] 梁斌、徐文福、李成、劉宇“地球靜止軌道在軌服務(wù)技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)”《宇航學(xué)報(bào)》2010年1月第31卷第1期pp1－13

[5] 尚社、段崇棣“天基雷達(dá)在航天器在軌服務(wù)與操作中的功用”《二〇一〇國(guó)防空天信息技術(shù)前沿論壇論文集》 pp1－4

[6] 張立華“小衛(wèi)星在自主在軌服務(wù)任務(wù)中的應(yīng)用與關(guān)鍵技術(shù)分析”《2011年小衛(wèi)星技術(shù)交流會(huì)論文集》 pp1－8

[7] 李巖、蔡遠(yuǎn)文、崔曉陽(yáng)“在軌服務(wù)飛行器總體技術(shù)分析”《兵工自動(dòng)化》2011年第30卷第4期 pp1－5

[8] 陳杰、林飛、侯丹、陳萱“國(guó)外衛(wèi)星在軌操作系統(tǒng)發(fā)展分析”《中國(guó)航天》2011年第7期pp27-31

[9] 陳杰“他山之石 可以攻玉——國(guó)外衛(wèi)星在軌操作系統(tǒng)發(fā)展分析”《太空探索》2011年第10期pp44-47

[10]梁斌、杜曉東、李成、徐文?！翱臻g機(jī)器人非合作航天器在軌服務(wù)研究進(jìn)展”《機(jī)器人》2012年3月第24卷第2期 pp242-256

[11]林飛、陳杰“德國(guó)航天器在軌操作技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)及解決方案簡(jiǎn)析”《中國(guó)航天》2012年第3期 pp37－41

[12]李巖，黨常平“空間在軌服務(wù)技術(shù)進(jìn)展”《兵工自動(dòng)化》2012年第31卷第5期 pp79－83

[13]胡紹林、李曄“航天器在軌服務(wù)技術(shù)體系解析”《宇航動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào)》2012年第6期pp80-83

[14]王景泉“太空在軌服務(wù)與拆解再構(gòu)建技術(shù)發(fā)展的新前景”《國(guó)際太空》2013年第10期 pp42－51

[15]韓慧鵬、金雪松、范晨“自主在軌服務(wù)現(xiàn)狀及分析”《國(guó)際太空》2013年第10期 pp52－57

[16]郭全魁、陳永龍“空間在軌服務(wù)保障問(wèn)題研究”《裝備學(xué)院學(xué)報(bào)》2013年12月第24卷第6期 pp66－68

[17]陳士明、周志成、曲廣吉、王典軍、袁俊剛“國(guó)外地球靜止軌道在軌服務(wù)衛(wèi)星系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展概況”《國(guó)際太空》2014年第4 期 pp55－63

[18] 陳治科、熊偉、劉德生、張?！霸谲壊僮骷夹g(shù)及國(guó)外發(fā)展分析”《裝備學(xué)院學(xué)報(bào)》2014年第25卷第6期 pp63-68

王曉海（1978-），男，碩士研究生/工程師，空間電子信息技術(shù)研究院空間微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。主要從事衛(wèi)星有效載荷技術(shù)情報(bào)搜集與研究分析工作。

作者簡(jiǎn)介