國外在軌服務系統(tǒng)最新發(fā)展（上）

王雪瑤 （北京空間科技信息研究所）

國外在軌服務系統(tǒng)最新發(fā)展（上）

Development of Foreign On-orbit Service Systems (Ⅰ)

王雪瑤 （北京空間科技信息研究所）

近年各國持續(xù)推進在軌服務系統(tǒng)的項目研究，主要涉及輔助變軌、碎片移除、在軌燃料加注與延壽、在軌裝配和在軌維修與升級幾個方面。其中，美國重點關注在軌裝配、在軌燃料加注任務與相關技術，歐洲重點關注低地球軌道（LEO）碎片移除任務與相關技術，日本、德國等依托自身先進的機械臂技術開展在軌服務項目。從現(xiàn)有發(fā)展規(guī)劃來看，目前在軌服務系統(tǒng)的發(fā)展還處于初級階段，各系統(tǒng)將在2020年前后實現(xiàn)在軌演示試驗。隨著航天技術的不斷發(fā)展，未來將會實現(xiàn)更多多功能業(yè)務型的在軌服務，航天資產(chǎn)也將向在軌可建造、在軌可擴展、在軌可重構(gòu)的方向發(fā)展。因此，在軌服務系統(tǒng)將是未來航天發(fā)展的一個重要方向。

1 輔助變軌

輔助變軌航天器可以幫助各類目標航天器進行軌道轉(zhuǎn)移，可用于低地球軌道轉(zhuǎn)移至地球靜止軌道（GEO）等的輔助變軌任務，也可用于深空軌道轉(zhuǎn)移的輔助變軌任務。近年美國主要以研究深空輔助變軌試驗項目為主。

“太陽能電推進器”拖船

“太陽能電推進器”（SEP）拖船是2011年美國國家航空航天局（NASA）提出的以輔助變軌為目的的在軌服務工程項目，重點是輔助大型深空探測器完成深空變軌任務，也可用于低地球軌道的輔助變軌任務。

美國國家航空航天局原計劃在2017年開啟首個“太陽能電推進器”拖船任務，即利用拖船將探月航天器運輸至環(huán)月軌道或地月拉格朗日點，完成6個月的探測任務，但目前并未實施，該任務可以驗證拖船的深空長時間機動能力，同時也可以驗證在出現(xiàn)問題時拖船快速返回地球的能力。美國同時計劃在2019年利用“太陽能電推進器”拖船開啟近地小行星探測任務，2020年利用拖船開啟3次火衛(wèi)一探測任務，2025年利用拖船開啟3次火星探測任務，并在2033年利用拖船輔助火星探測器與航天員完成為期500天的載人火星表面停留任務。

“太陽能電推進器”拖船輔助探火任務示意圖

“太陽能電推進器”主要利用先進的太陽能帆板和高效的霍爾推進器，推進器比沖是常規(guī)化學推進系統(tǒng)的10倍，可以達到3000s，能夠為大型深空探測器提供高效的推力，使其順利進入目標位置。美國國家航空航天局計劃研制300kW和600kW兩種推進功率的拖船，其中300kW拖船將輔助完成探月及小行星探測任務，600kW拖船將輔助完成火星探測及火星衛(wèi)星探測任務。

“軌道機動運載器”

為提高在軌部署的靈活性，近年美國穆格公司（Moog）研發(fā)“軌道機動運載器”（OMV）作為小衛(wèi)星的低成本發(fā)射設備，為小衛(wèi)星提供共享發(fā)射機會，能夠輔助小衛(wèi)星搭載發(fā)射至目標軌道，完成優(yōu)化部署小衛(wèi)星星座等多項任務?，F(xiàn)該項目已完成低軌任務“軌道機動運載器”的內(nèi)部設計評審，計劃在2018年底發(fā)射低軌“軌道機動運載器”。

“軌道機動運載器”采用“演進型一次性運載火箭次級有效載荷適配器”（ESPA）作為基礎架構(gòu)，在此基礎上新增加高適應性的推進結(jié)構(gòu)、先進靈活的航電結(jié)構(gòu)、模塊化的電源系統(tǒng)等提供推力，也可根據(jù)具體任務進行擴展升級。低軌任務“軌道機動運載器”可共計產(chǎn)生340m/s速度增量，有效載荷運載能力為1500kg。未來深空任務“軌道機動運載器”將采用結(jié)構(gòu)更大、更堅固的ESPA環(huán)，并采用肼和四氧化二氮雙組元推進系統(tǒng)，可共計產(chǎn)生1690m/s速度增量，有效載荷運載能力為500kg。

低軌任務“軌道機動運載器”示意圖

2 碎片移除

目前空間碎片的形勢相當嚴峻，空間碎片數(shù)量龐大，空間碰撞概率大大增加，空間環(huán)境更加惡劣，軌道資源越來越稀缺，需要在軌服務系統(tǒng)對失效衛(wèi)星和空間碎片等進行離軌、移除等處理。

“歐洲離軌”任務

“歐洲離軌”（e.Deorbit）任務是2012年歐洲航天局（ESA）提出的移除低軌大型空間碎片的工程項目，驗證低軌碎片移除技術?！皻W洲離軌”任務航天器計劃于2023年發(fā)射，將成為世界首例主動碎片移除任務，也將使歐洲航天局成為空間碎片移除領域的全球領軍者。

“歐洲離軌”任務的主要目標是使用航天器捕獲800～1000km近極地軌道/太陽同步軌道（SSO）上的屬于歐洲航天局的非合作大型空間碎片（主要是4t以上的衛(wèi)星或上面級），并將其快速移至地球大氣層燃燒消除。經(jīng)過長時間的論證工作，2016年7月，歐洲航天局將離軌目標選定為現(xiàn)已失效的“歐洲環(huán)境衛(wèi)星”（Envisat）。這顆衛(wèi)星是歐洲最大的民用對地觀測衛(wèi)星，于2001年發(fā)射入軌，在軌尺寸為26m×10m×5m，質(zhì)量8211kg。該衛(wèi)星在2012年失效且不停旋轉(zhuǎn)，每年將會與2個編目目標距離達200m內(nèi)，很可能引發(fā)碰撞，根據(jù)衛(wèi)星的運行軌道與面質(zhì)比計算，預計其將繼續(xù)在軌停留150年。因為這顆衛(wèi)星危險性大，所以歐洲航天局選取該星作為離軌目標驗證主動碎片移除技術。

該任務需要解決三項挑戰(zhàn)，一是識別、接近旋轉(zhuǎn)目標，并與之同步運動；二是安全捕獲旋轉(zhuǎn)目標；三是將旋轉(zhuǎn)目標安全離軌。航天器在軌捕獲技術是該項目的關鍵技術，此前歐洲航天局論證了“機械臂捕獲”、“魚叉捕獲”、“繩系捕獲”和“抓捕網(wǎng)捕獲”四個任務方案。但因目標質(zhì)量較大，又失控旋轉(zhuǎn)，其他方式捕獲不適合，最終歐洲航天局選取波蘭SKA Polska公司設計的1300kg抓捕網(wǎng)作為目標抓捕機構(gòu)，抓捕網(wǎng)需要在真空微重力環(huán)境下抓捕失控旋轉(zhuǎn)目標。

“德國在軌服務” 任務

“德國在軌服務”任務（DEOS）是2007年德國航空航天中心（DLR）在“空間系統(tǒng)演示驗證技術衛(wèi)星”（TECSAS）項目（2006年終止）的基礎上，重新定位任務目標，提出的后續(xù)自主處理故障衛(wèi)星技術演示項目。目前，該項目已在地面和“國際空間站”（ISS）進行了多項接近、對接抓捕等模擬仿真試驗，德國航空航天中心計劃在2018年進行在軌試驗。

德國航空航天中心研制在軌服務與維護系統(tǒng)的時間較長，具有豐富的空間機械臂研究經(jīng)驗，曾開展“哥倫比亞”航天飛機ROTEX機械臂項目、試驗服務衛(wèi)星項目、“空間系統(tǒng)演示驗證技術衛(wèi)星”項目等?！暗聡谲壏铡表椖坎捎昧说聡娇蘸教熘行亩嗄甑目臻g機械臂研制試驗經(jīng)驗。

“德國在軌服務”任務示意圖

“德國在軌服務”項目系統(tǒng)包括服務衛(wèi)星與客戶衛(wèi)星兩部分，服務衛(wèi)星能夠利用專用的抓捕機構(gòu)捕獲滾轉(zhuǎn)的非合作客戶衛(wèi)星，其中服務衛(wèi)星尺寸2.6m×1.7m×1.8m，質(zhì)量732kg，客戶衛(wèi)星尺寸1.9m×1.3m×1.3m，質(zhì)量268kg?！暗聡谲壏铡比蝿瞻òl(fā)射與早期入軌、在軌測試、在軌操作和離軌再入4個標準運行階段。在發(fā)射與早期入軌階段，服務衛(wèi)星與客戶衛(wèi)星剛性連接，一同發(fā)射至高550km、傾角85°～90°的初始圓軌道。剛性連接組合體發(fā)射入軌后，經(jīng)在軌測試后進入在軌操作階段，服務衛(wèi)星在安全位置釋放客戶衛(wèi)星并遠離客戶衛(wèi)星，隨后，服務衛(wèi)星通過定向?qū)Ш街敢龣C動至客戶衛(wèi)星附近，與客戶衛(wèi)星實現(xiàn)相對停泊。在相對停泊期間，服務衛(wèi)星利用機械臂抓捕翻滾的客戶衛(wèi)星再次形成組合體。最后，該組合體將離軌至再入走廊，隨后受控再入至大氣層燒毀。

太空清理-1

太空清理-1（CSO-1）項目是瑞士2012年正式啟動的在軌碎片移除試驗項目，最初由瑞士航天局（SSO）負責，2014年移交至洛桑聯(lián)邦理工學院航天工程中心（ESpace）。該項目旨在離軌“瑞士立方體小衛(wèi)星”（SwissCube），演示小衛(wèi)星主動碎片移除技術。現(xiàn)階段已完成太空清理-1捕獲系統(tǒng)的原型樣機，下一階段將研制開發(fā)工程機，將在2018年之后發(fā)射。

“瑞士立方體小衛(wèi)星”是1U立方體衛(wèi)星，尺寸為100mm×100mm×113.5mm，運行在高720km、傾角98.4°的太陽同步軌道上，質(zhì)量約820g，數(shù)據(jù)下行鏈路與上行鏈路天線長度分別為180mm和610mm。因為“瑞士立方體小衛(wèi)星”尺寸很小，難以探測，且高速翻滾，最大旋轉(zhuǎn)角速度可達50°/s。所以在該項目中，服務航天器既要解決缺少非合作目標位置信息、難以探測的問題，又要解決目標高速旋轉(zhuǎn)的問題。為解決第一項挑戰(zhàn)，太空清理-1攜帶高效的計算機視覺系統(tǒng)，可計算太陽的角度、目標的尺寸、目標的移動速度，以及太空清理-1自身的旋轉(zhuǎn)速度等，能對目標進行跟蹤與近距離操作。為解決第二項挑戰(zhàn)，洛桑聯(lián)邦理工學院航天工程中心需要針對高速旋轉(zhuǎn)的目標設計最有效的捕獲系統(tǒng)。太空清理-1設計人員最終選取抓捕可靠性更高的PacMan設計方案，該方案由瑞士學生設計。一旦目標“瑞士立方體小衛(wèi)星”進入太空清理-1的作用范圍內(nèi)，服務衛(wèi)星就會在目標衛(wèi)星周圍展開圓錐體網(wǎng)，隨后閉合圓錐體網(wǎng)捕獲目標。

太空清理-1捕獲“瑞士立方體小衛(wèi)星”示意圖

“空間碎片微型清除器”

“空間碎片微型清除器”（SDMR）是日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)（JAXA）正在研究的一種演示驗證空間碎片主動移除技術的微小衛(wèi)星試驗項目，現(xiàn)已完成多項地面試驗和飛行試驗，計劃2020年開展在軌演示驗證試驗，隨后發(fā)展大型業(yè)務空間碎片清除系統(tǒng)。

“空間碎片微型清除器”將使用小衛(wèi)星夾持機械臂抓捕空間目標碎片，并使用電動系繩將其離軌。具體任務過程為：首先，清除器與目標空間碎片自主交會，并測量其運行軌道。然后，清除器繞飛目標，確定捕獲的最佳路徑。隨后，清除器逼近目標并用夾持機械臂捕獲目標，之后，展開固定在機械臂上的電動系繩。最終，清除器自動調(diào)節(jié)電動系繩的傾角來控制推力，攜帶碎片離軌。

清除器要捕獲的目標通常是失控的碎片，機械臂無法直接抓取高速翻轉(zhuǎn)的目標碎片。為解決這一問題，日本擬采用電刷接觸器，在靠近碎片后，通過接觸磨擦碎片表面將其轉(zhuǎn)速減慢至靜止，以便于機械臂捕獲目標。日本在2010年就已完成電動系繩推進的在軌演示試驗，但在2016年底的電動系繩在軌部署試驗中卻遭遇失敗。

日本空間碎片清除系統(tǒng)三維概念示意圖

3 在軌燃料加注與延壽

在軌衛(wèi)星資產(chǎn)不斷增加，而通常在衛(wèi)星燃料壽命末期，天線、有效載荷等其他部件通常還可繼續(xù)使用，如果可以利用在軌服務器進行在軌補加，或為目標衛(wèi)星提供動力系統(tǒng)，則可以相應延長衛(wèi)星的壽命，獲得更大的經(jīng)濟利益。

復原-L在軌補加任務

復原-L（Restore-L）在軌補加任務是2014年美國國家航空航天局衛(wèi)星服務能力辦公室（SSCO）啟動的試驗項目，旨在驗證對低地球軌道合作與非合作目標的在軌燃料加注技術。目前，復原-L任務已在2017年8月完成初步設計評審（PDR）。復原-L預計在2020年發(fā)射，如果該任務成功，則將成為世界首例低地球軌道在軌燃料加注任務。在整個任務期間，復原-L將對目標衛(wèi)星進行交會、抓捕、燃料加注與重新定位等服務。

復原-L可為目標衛(wèi)星儲存并提供燃料，其特有系統(tǒng)是燃料運輸系統(tǒng)，能夠?qū)δ繕诵l(wèi)星進行長時間、多任務的燃料補給，該系統(tǒng)由氧化劑貯箱、低密封泵、流量計量器、燃料運輸管道等組成，其中低密封泵能夠在高壓下傳送氧化劑，流量計量器能夠保證燃料轉(zhuǎn)移系統(tǒng)定量、準確地傳輸推進劑。美國國防高級研究計劃局（DARPA）的“前端機器人操作演示驗證任務”（FREND）機械臂也是復原-L有效載荷的一部分，能夠執(zhí)行抓捕目標衛(wèi)星等操作。此外，復原-L自主遙操作需要使用S頻段低數(shù)據(jù)率下行鏈路和高數(shù)據(jù)率上行鏈路，視頻與遙操作需要使用Ka頻段高數(shù)據(jù)率上、下行鏈路。

按照計劃，復原-L將發(fā)射至極地低軌道，目標衛(wèi)星已選定為美國政府的陸地衛(wèi)星-7（Landsat-7）。復原-L任務的具體過程為：復原-L成功入軌后進行約53天的在軌測試，測試完成后通過15天機動轉(zhuǎn)移至目標陸地衛(wèi)星-7附近，隨后與目標衛(wèi)星進行為期4天的自主交會對接和4天的在軌服務，具體服務操作包括切割覆蓋物、切割燃料輸送管、移除閥帽、在軌加注和還原覆蓋物等。復原-L在完成在軌服務任務后，需要17天離軌至任務后處理軌道，最后2天完成銷毀操作。整個任務過程計劃需要92天時間，同時需要地面站、GPS衛(wèi)星、中繼衛(wèi)星、遙操作等技術先進設備支持整個任務過程。

復原-L近距離在軌服務示意圖

“無人延壽飛行器”任務示意圖

“無人延壽飛行器”

“無人延壽飛行器”（MEV）是2011年美國維維衛(wèi)星公司（ViviSat）提出的地球靜止軌道衛(wèi)星延壽項目，美國維維衛(wèi)星公司由美國航天公司（US Space）與軌道-ATK公司（Orbital ATK）共同建立?！盁o人延壽飛行器”將采用軌道-ATK公司的GEOStar3平臺與“天鵝座”（Cygnus）交會對接技術，具有靈活性高、可升級性好及風險低等特點，能保證空間資產(chǎn)的可持續(xù)利用。2016年，該項目轉(zhuǎn)移至軌道-ATK公司的全資子公司—空間物流公司（Space Logistics）負責，并與國際通信衛(wèi)星公司（INTELSAT）簽訂首個為期5年的“無人延壽飛行器”合同。

按計劃，空間物流公司至少發(fā)射5個“無人延壽飛行器”，將在2018年發(fā)射首個，2019年和2020年各發(fā)射2個?！盁o人延壽飛行器”的設計壽命是15～20年，將執(zhí)行3～4次延壽任務，每次任務時間為1～5年。為確保安全，首個“無人延壽飛行器”入軌后首先會進入墳墓軌道與失效衛(wèi)星連接進行在軌測試，隨后進入地球靜止軌道對業(yè)務衛(wèi)星進行在軌服務?！盁o人延壽飛行器”使用簡單的機械對接系統(tǒng)與客戶衛(wèi)星的遠地點發(fā)動機進行對接，這一系統(tǒng)適用于目前80%的地球靜止軌道衛(wèi)星。與目標衛(wèi)星對接成功后，“無人延壽飛行器”將根據(jù)需求對組合器進行姿態(tài)與軌道保持管理。完成服務后，“無人延壽飛行器”與目標衛(wèi)星分離，轉(zhuǎn)移至下一個客戶衛(wèi)星進行服務，其交會對接系統(tǒng)可重復利用，對多個目標進行服務。

除在軌延壽服務外，“無人延壽飛行器”還將實現(xiàn)轉(zhuǎn)移目標位置或改變目標軌道傾角的重定位功能。未來，“無人延壽飛行器”還將逐步增加在軌維修與在軌裝配等功能，也可能增加機械臂等抓捕結(jié)構(gòu)。（未完待續(xù)）