國(guó)外在軌服務(wù)系統(tǒng)最新發(fā)展（下）

王雪瑤 （北京空間科技信息研究所）

國(guó)外在軌服務(wù)系統(tǒng)最新發(fā)展（下）

王雪瑤 （北京空間科技信息研究所）

Development of Foreign On-orbit Service Systems (Ⅱ)

（上接本刊2017年第10期）

近年各國(guó)持續(xù)推進(jìn)在軌服務(wù)系統(tǒng)的項(xiàng)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(jí)幾個(gè)方面。其中，美國(guó)重點(diǎn)關(guān)注在軌裝配、在軌燃料加注任務(wù)與相關(guān)技術(shù)，歐洲重點(diǎn)關(guān)注低地球軌道（LEO）碎片移除任務(wù)與相關(guān)技術(shù)，日本、德國(guó)等依托自身先進(jìn)的機(jī)械臂技術(shù)開(kāi)展在軌服務(wù)項(xiàng)目。從現(xiàn)有發(fā)展規(guī)劃來(lái)看，目前在軌服務(wù)系統(tǒng)的發(fā)展還處于初級(jí)階段，各系統(tǒng)將在2020年前后實(shí)現(xiàn)在軌演示試驗(yàn)。隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展，未來(lái)將會(huì)實(shí)現(xiàn)更多多功能業(yè)務(wù)型的在軌服務(wù)，航天資產(chǎn)也將向在軌可建造、在軌可擴(kuò)展、在軌可重構(gòu)的方向發(fā)展。因此，在軌服務(wù)系統(tǒng)將是未來(lái)航天發(fā)展的一個(gè)重要方向。

4 在軌裝配

在軌裝配可為深空探測(cè)和大型近地任務(wù)組裝大型航天器。受到目前運(yùn)載技術(shù)的限制，現(xiàn)在僅能發(fā)射較小尺寸的航天器或相應(yīng)部件。因此，亟待進(jìn)一步開(kāi)發(fā)在軌裝配技術(shù)，通過(guò)分批次發(fā)射航天器部件入軌，利用先進(jìn)的測(cè)量導(dǎo)航、交會(huì)對(duì)接、先進(jìn)機(jī)械臂等技術(shù)，在軌裝配規(guī)模更大、結(jié)構(gòu)更靈活和功能更強(qiáng)大的航天器系統(tǒng)。

“鳳凰”計(jì)劃

“鳳凰”（Phoenix）計(jì)劃是2012年美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）啟動(dòng)的一項(xiàng)在軌服務(wù)演示驗(yàn)證項(xiàng)目，旨在重新利用失效退役的地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星的有價(jià)值部件組建新型航天器，是在軌服務(wù)技術(shù)從低軌發(fā)展至高軌的標(biāo)志。

“鳳凰”計(jì)劃主要由“有效載荷軌道交付系統(tǒng)”（PODS）、“軌道服務(wù)器”（Tender）及“細(xì)胞星”（Satlets）三部分組成，計(jì)劃演示驗(yàn)證從報(bào)廢衛(wèi)星上摘取并利用零部件（天線(xiàn)等）的技術(shù)，其方案是從一顆退役衛(wèi)星上“剝離”大型天線(xiàn)，并將其與小衛(wèi)星在軌組裝成新的地球靜止軌道衛(wèi)星。“鳳凰”計(jì)劃具體任務(wù)過(guò)程：將裝有“細(xì)胞星”的“有效載荷軌道交付系統(tǒng)”搭載發(fā)射至目標(biāo)地球靜止軌道后彈射入軌，在軌運(yùn)行的“軌道服務(wù)器”隨后交會(huì)并抓捕“有效載荷軌道交付系統(tǒng)”。然后，“軌道服務(wù)器”轉(zhuǎn)移至地球靜止軌道上方的“墳?zāi)管壍馈苯粫?huì)捕獲失效衛(wèi)星。“軌道服務(wù)器”利用機(jī)械臂將“細(xì)胞星”安裝到天線(xiàn)上，并對(duì)其進(jìn)行激活在軌測(cè)試。若“細(xì)胞星”被成功激活，與天線(xiàn)的組合體能夠正常工作，“軌道服務(wù)器”將再次利用機(jī)械臂將天線(xiàn)與失效衛(wèi)星切割分離。最后，“軌道服務(wù)器”將“細(xì)胞星”和天線(xiàn)的組合體轉(zhuǎn)移至地球靜止軌道工作位置開(kāi)始工作。

因?yàn)椤傍P凰”計(jì)劃目標(biāo)太復(fù)雜，近年又衍生出驗(yàn)證機(jī)械臂技術(shù)的“地球同步軌道衛(wèi)星機(jī)器人服務(wù)”（RSGS）項(xiàng)目與驗(yàn)證在軌自主裝配天線(xiàn)的“蜻蜓”（Dragonfly）項(xiàng)目。目前，“鳳凰”計(jì)劃僅完成了“細(xì)胞星”的初始任務(wù)驗(yàn)證試驗(yàn)，并公布了“有效載荷軌道交付系統(tǒng)”的接口要求。2016年，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局公布了“有效載荷軌道交付系統(tǒng)”的標(biāo)準(zhǔn)尺寸為3.3cm×4.1cm×5.6cm，質(zhì)量約68～100kg，符合上述接口標(biāo)準(zhǔn)的“有效載荷軌道交付系統(tǒng)”可更快捷地連接到商業(yè)宿主衛(wèi)星上，并在適當(dāng)?shù)奈恢猛瓿稍谲夅尫牛瑫r(shí)也可利用商業(yè)發(fā)射頻率來(lái)降低發(fā)射成本。

從美國(guó)國(guó)防部預(yù)算文件來(lái)看，“鳳凰”計(jì)劃在2017年發(fā)射其“有效載荷軌道交付系統(tǒng)”并完成在軌測(cè)試，“軌道服務(wù)器”的機(jī)械臂劃歸“鳳凰”計(jì)劃衍生的新項(xiàng)目“地球同步軌道衛(wèi)星機(jī)器人服務(wù)”進(jìn)行研制試驗(yàn)，諾瓦克公司還將完成集成“細(xì)胞星”的首個(gè)低地球軌道（LEO）在軌試驗(yàn)—細(xì)胞集成技術(shù)試驗(yàn)（eXCITe），將由12顆“高度集成衛(wèi)星”（HISat）組成的集成衛(wèi)星發(fā)射至720km×450km的近太陽(yáng)同步軌道，試驗(yàn)“高度集成衛(wèi)星”以及與其有效載荷之間的接口，并驗(yàn)證飛行環(huán)境下關(guān)鍵“細(xì)胞星”的功能。目前來(lái)看，上述計(jì)劃均有所推遲。2017年10月，“國(guó)際空間站”（ISS）航天員成功完成“高度集成衛(wèi)星”的在軌組裝與釋放任務(wù)。

細(xì)胞集成技術(shù)試驗(yàn)中組合“細(xì)胞星”示意圖

“蜻蜓”項(xiàng)目

“蜻蜓”（Dragonfly）是“鳳凰”計(jì)劃在2015年的衍生項(xiàng)目之一，歸屬美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）“新興空間能力轉(zhuǎn)折點(diǎn)”（‘Tipping Point’ ESC）系列專(zhuān)題?！膀唑选表?xiàng)目將在軌組裝與重構(gòu)大型固體射頻反射器，演示自主天線(xiàn)在軌裝配技術(shù)，改變現(xiàn)有衛(wèi)星的裝配模式?！膀唑选表?xiàng)目計(jì)劃在2020年后完成在軌飛行演示驗(yàn)證。

2015年8月，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局將為期5個(gè)月價(jià)值25萬(wàn)美元的研究合同授予勞拉空間系統(tǒng)公司，用以研究證明衛(wèi)星在軌組裝方案，在降低衛(wèi)星成本與質(zhì)量的基礎(chǔ)上，提高衛(wèi)星的性能。2016年初，勞拉空間系統(tǒng)公司完成該方案的可行性論證。目前，“蜻蜓”項(xiàng)目處于為期2年的地面演示階段，并未公布技術(shù)細(xì)節(jié)。2016年7月，勞拉空間系統(tǒng)公司又獲得美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局價(jià)值2000萬(wàn)美元的合同，用于研制“地球同步軌道衛(wèi)星自主服務(wù)”項(xiàng)目的機(jī)械臂，其中包括為“蜻蜓”研制2個(gè)機(jī)械臂。2017年8月，“蜻蜓”項(xiàng)目成功完成地面演示試驗(yàn)，使用3.5m機(jī)械臂系統(tǒng)為地面模擬衛(wèi)星裝配大型天線(xiàn)反射器。

“蜻蜓”項(xiàng)目由美國(guó)國(guó)家航空航天局蘭利研究中心和3個(gè)商業(yè)公司負(fù)責(zé)，其中勞拉空間系統(tǒng)公司負(fù)責(zé)項(xiàng)目管理與系統(tǒng)工程，麥德公司負(fù)責(zé)機(jī)器人演示和機(jī)器人控制，繩系無(wú)限公司負(fù)責(zé)增材制造，美國(guó)國(guó)家航空航天局蘭利研究中心負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)在軌裝配技術(shù)與設(shè)備。

“蜘蛛制造”項(xiàng)目

“蜘蛛制造”（SpiderFab）是2012年美國(guó)繩系無(wú)限公司提出并由美國(guó)國(guó)家航空航天局創(chuàng)新先進(jìn)概念項(xiàng)目資助的一項(xiàng)概念研究項(xiàng)目，將研究空間在軌制造系統(tǒng)的概念，未來(lái)將實(shí)現(xiàn)利用3D打印等技術(shù)在軌自主制造超大型空間結(jié)構(gòu)和多功能空間系統(tǒng)組件，同時(shí)利用“蜘蛛機(jī)器人”（SpiderFab Bot）在軌集成大型空間結(jié)構(gòu)，克服運(yùn)載火箭的發(fā)射限制，改變航天器的研制與部署方式?！爸┲胫圃臁庇?jì)劃在2022年完成在軌飛行演示試驗(yàn)，2024年實(shí)現(xiàn)在軌自主裝配。

“蜻蜓”在軌自主裝配天線(xiàn)示意圖

“蜘蛛機(jī)器人”在軌“織網(wǎng)”示意圖

“蜘蛛機(jī)器人”系統(tǒng)使用類(lèi)似蜘蛛織網(wǎng)的方式在軌建造大型空間結(jié)構(gòu)。該項(xiàng)目首先需要發(fā)射具有在軌制造能力的“衛(wèi)星繭”（Satellite Chrysalis）入軌，“衛(wèi)星繭”內(nèi)包含增材制造原料、桁架單元及指令程序等，入軌后可通過(guò)在軌制造與自主裝配建造出千米級(jí)的大型空間系統(tǒng)。客戶(hù)可根據(jù)自身需求設(shè)計(jì)衛(wèi)星，并用3D打印技術(shù)建造系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，用增材制造與自動(dòng)化組裝技術(shù)制造天線(xiàn)、光學(xué)儀器等衛(wèi)星分系統(tǒng)組件，同時(shí)進(jìn)行衛(wèi)星的在軌集成裝配。最后，根據(jù)任務(wù)需要在低地球軌道上部署組裝衛(wèi)星。

“蜘蛛制造”計(jì)劃第一階段是利用增材制造與自主裝配技術(shù)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)能制造航天器部件的移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)和能夠組裝大型太陽(yáng)電池陣的有效載荷。計(jì)劃第二階段將開(kāi)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更成熟，進(jìn)行相應(yīng)的真空試驗(yàn)與性能評(píng)估，以適應(yīng)未來(lái)的飛行演示試驗(yàn)。

“建筑師”項(xiàng)目

“建筑師”（Archinaut）是2015年美國(guó)國(guó)家航空航天局資助諾斯羅普-格魯曼等商業(yè)公司開(kāi)發(fā)的技術(shù)平臺(tái)，又名“多功能空間機(jī)器人精密制造與裝配系統(tǒng)”，可在軌自主制造并組裝航天器系統(tǒng)。該項(xiàng)目也歸屬美國(guó)國(guó)家航空航天局“新興空間能力轉(zhuǎn)折點(diǎn)”系列專(zhuān)題，主要研究“國(guó)際空間站”外空間環(huán)境中的增材制造技術(shù)，演示預(yù)制組件的在軌組裝技術(shù)?！敖ㄖ煛睂⒗靡言凇皣?guó)際空間站”驗(yàn)證的3D打印技術(shù)和2016年3月發(fā)射的“增材制造設(shè)備”（AMF）進(jìn)行在軌制造?！敖ㄖ煛卑?D打印增材制造器和機(jī)械臂，前者用于制造并擴(kuò)展系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，后者用于定位和在軌裝配操作?！敖ㄖ煛庇?jì)劃安裝在空間站艙外，能夠進(jìn)行在軌增材制造、通信衛(wèi)星反射器制造與裝配，以及在軌機(jī)械維修等任務(wù)。

未來(lái)，“建筑師”將發(fā)展成為三臂結(jié)構(gòu)的在軌制造機(jī)器人系統(tǒng)，可在太空中自主機(jī)動(dòng)，并能將自身附著在航天器上，可通過(guò)增加或移除外部組件進(jìn)行維修升級(jí)，還可從退役航天器上移除并重新使用部件，甚至可清理空間碎片。

“建筑師”在軌自主制造組裝示意圖

望遠(yuǎn)鏡分離部件編隊(duì)飛行構(gòu)型

“機(jī)器人裝配模塊化空間望遠(yuǎn)鏡”

“機(jī)器人組裝模塊化空間望遠(yuǎn)鏡”（RAMST）是2016年7月美國(guó)美國(guó)國(guó)家航空航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）、美國(guó)國(guó)家航空航天局戈達(dá)德航天飛行中心（GSFC）和加州大學(xué)等聯(lián)合在《天文望遠(yuǎn)鏡儀器與系統(tǒng)》雜志中提出的超大型太空望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)的新理念，即利用機(jī)器人在軌組裝百米級(jí)空間望遠(yuǎn)鏡，組合體將轉(zhuǎn)移至日地拉格朗日2點(diǎn)進(jìn)行編隊(duì)飛行，執(zhí)行天文觀測(cè)任務(wù)，能為未來(lái)大型太空結(jié)構(gòu)的在軌裝配任務(wù)奠定基礎(chǔ)。

“機(jī)器人裝配模塊化太空望遠(yuǎn)鏡”由一個(gè)100m球面主鏡、光學(xué)器件與設(shè)備單元（OIU）、測(cè)量單元和遮光罩組成，并以主鏡為中心進(jìn)行編隊(duì)飛行，在日地拉格朗日2點(diǎn)執(zhí)行預(yù)定的天文觀測(cè)任務(wù)操作。編隊(duì)飛行構(gòu)型保證了望遠(yuǎn)鏡的尺寸擴(kuò)展，提高其光學(xué)性能。

“機(jī)器人裝配模塊化太空望遠(yuǎn)鏡”在軌裝配任務(wù)流程：首先，將在軌裝配機(jī)器人、中心主鏡模塊、測(cè)量單元與首批桁架部署單元（DTM）通過(guò)“一箭多星”的方式共同發(fā)射入軌，隨后機(jī)器人在測(cè)量單元的幫助下，圍繞中心主鏡模塊環(huán)形制造桁架支撐結(jié)構(gòu)；第二，發(fā)射剩余的桁架部署單元與主鏡反射鏡單元，與主鏡進(jìn)行交會(huì)對(duì)接后，將反射鏡單元部署在支撐結(jié)構(gòu)外部；第三，發(fā)射光學(xué)器件與設(shè)備單元、遮光罩等，與主鏡對(duì)接形成完整的“機(jī)器人裝配模塊化太空望遠(yuǎn)鏡”系統(tǒng)組合體；最后，整個(gè)組合體系統(tǒng)向日地拉格朗日2點(diǎn)轉(zhuǎn)移，到達(dá)目的地后，系統(tǒng)在軌分離釋放形成編隊(duì)飛行的工作布局，執(zhí)行天文觀測(cè)工作。

“地球同步軌道衛(wèi)星機(jī)器人服務(wù)”項(xiàng)目預(yù)期實(shí)現(xiàn)的在軌項(xiàng)目示意圖

5 在軌維修與升級(jí)

空間資產(chǎn)多，作用大，經(jīng)濟(jì)價(jià)值高，但故障也很常見(jiàn)。目前，如果衛(wèi)星出現(xiàn)故障或衛(wèi)星部件的技術(shù)落后時(shí)，一般只能重新發(fā)射備份衛(wèi)星進(jìn)行替換，但替換周期長(zhǎng)，成本也非常昂貴。如果衛(wèi)星可以進(jìn)行在軌維修和在軌升級(jí)，使空間系統(tǒng)可重構(gòu)，那么既能降低經(jīng)濟(jì)損失，又能增加空間基礎(chǔ)設(shè)施彈性。

“地球同步軌道衛(wèi)星機(jī)器人服務(wù)”是“鳳凰”計(jì)劃在2015年的衍生項(xiàng)目，旨在為“鳳凰”驗(yàn)證機(jī)械臂技術(shù)。2016年5月，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局正式啟動(dòng)該項(xiàng)目，研制能夠執(zhí)行在軌檢查、維修、重定位和升級(jí)等多項(xiàng)在軌服務(wù)任務(wù)的“自主服務(wù)航天器”（RSV）。“自主服務(wù)航天器”計(jì)劃在2021年發(fā)射，完成6～9個(gè)月的在軌演示任務(wù)，隨后為商業(yè)和政府客戶(hù)衛(wèi)星提供有償?shù)纳虡I(yè)在軌服務(wù)。

“自主服務(wù)航天器”的在軌服務(wù)演示任務(wù)主要包括：與非合作客戶(hù)衛(wèi)星進(jìn)行自主交會(huì)，演示空間機(jī)械臂抓捕客戶(hù)衛(wèi)星的螺栓配件等連接機(jī)構(gòu)；對(duì)客戶(hù)衛(wèi)星進(jìn)行重定位，演示軌道轉(zhuǎn)移機(jī)動(dòng)過(guò)程中組合體的穩(wěn)定控制；在不同距離檢查或詳查客戶(hù)衛(wèi)星等。“自主服務(wù)航天器”商業(yè)在軌服務(wù)任務(wù)包括：檢查診斷合作客戶(hù)衛(wèi)星的功能異常，維修太陽(yáng)電池陣和天線(xiàn)展開(kāi)故障等機(jī)械異常，協(xié)助客戶(hù)衛(wèi)星重定位至新工作位置或進(jìn)入“墳?zāi)管壍馈?，升?jí)合作客戶(hù)衛(wèi)星的軟件并為其提供新功能。