“在軌服務(wù)”，太空競(jìng)賽重要領(lǐng)域

蘭順正

2021年4月24日，美國(guó)SpaceX的載人“龍”飛船與國(guó)際空間站成功對(duì)接。

4月12日，美國(guó)諾斯洛普·格魯曼公司的“任務(wù)延壽-2”（MEV2）在軌服務(wù)飛行器與國(guó)際通信衛(wèi)星公司的“國(guó)際通信衛(wèi)星10-02”（IS-10-02）在軌通信衛(wèi)星成功對(duì)接。這是首次有在軌服務(wù)飛行器在靜地軌道上同現(xiàn)役商業(yè)衛(wèi)星對(duì)接，引發(fā)對(duì)未來(lái)空間在軌服務(wù)技術(shù)的關(guān)注。

老舊航天器的“起死回生術(shù)”

眾所周知，航天器在軌運(yùn)行的過(guò)程中，各種故障及意外情況無(wú)法完全避免。隨著技術(shù)的進(jìn)步，航天器上的儀器設(shè)備可能變得陳舊落后，無(wú)法保持理想性能，航天器壽命也會(huì)受到其可攜帶推進(jìn)劑總量的限制。據(jù)統(tǒng)計(jì)，從第一顆人造地球衛(wèi)星上天至今，全球發(fā)射的衛(wèi)星數(shù)量在5000 顆以上，多數(shù)不再正常運(yùn)轉(zhuǎn)。人們對(duì)待已經(jīng)報(bào)廢的衛(wèi)星，一般是在控制衛(wèi)星用掉最后的燃料并減速后，任其重返大氣層燃盡。而對(duì)于一些軌道高度上萬(wàn)千米的衛(wèi)星來(lái)說(shuō)，其自身攜帶燃料并不足以讓其減速到再入大氣層，所以結(jié)束任務(wù)后會(huì)利用自身動(dòng)力攀升到更高的“墓地軌道”，在那里“孤獨(dú)終老”。

但是，人造衛(wèi)星往往造價(jià)高昂，高軌通信衛(wèi)星更是如此，單是衛(wèi)星本身的成本就常達(dá)數(shù)億美元。因此，如能用比較經(jīng)濟(jì)的辦法延長(zhǎng)衛(wèi)星使用壽命，使其被充分利用，其價(jià)值將頗為可觀，而這就讓在軌服務(wù)技術(shù)有了用武之地。

顧名思義，“在軌服務(wù)”就是在地球軌道上開(kāi)展各種維修維護(hù)業(yè)務(wù)，通過(guò)加注燃料、修理或更換受損零件等，延長(zhǎng)航天器壽命，提升其執(zhí)行任務(wù)的能力。其實(shí)在人類擁有載人航天能力之后，在軌服務(wù)就已經(jīng)開(kāi)始。1973年5月美國(guó)空間站“天空實(shí)驗(yàn)室”發(fā)生故障，隨后一艘“阿波羅”飛船對(duì)接“天空實(shí)驗(yàn)室”，兩批美國(guó)航天員出艙對(duì)熱控和太陽(yáng)電池翼進(jìn)行了維修，空間站恢復(fù)正常運(yùn)行。

航天飛機(jī)問(wèn)世后，其出色的運(yùn)載能力為在軌服務(wù)提供了更合適的平臺(tái)。1984年美國(guó)“挑戰(zhàn)者”號(hào)航天飛機(jī)利用機(jī)械臂捕獲了SMM太陽(yáng)探測(cè)器，對(duì)發(fā)生故障的姿態(tài)控制系統(tǒng)進(jìn)行修復(fù)，還更換了一些電子元件和碟形天線，是在軌服務(wù)史上的經(jīng)典案例。

航天大國(guó)的“寵兒”

雖然航天飛機(jī)已經(jīng)退役，人類的太空活動(dòng)卻日益增多，對(duì)在軌服務(wù)的需求有增無(wú)減。近年來(lái)，隨著無(wú)人在軌服務(wù)飛行器所需要的在軌接近、捕獲、操縱、調(diào)整、修理、燃料補(bǔ)給、集成以及建造等技術(shù)逐漸發(fā)展成熟，與之相關(guān)的航天項(xiàng)目也不斷進(jìn)入公眾視野。

美國(guó)的在軌服務(wù)水平領(lǐng)先于其他國(guó)家，目前已在開(kāi)展和計(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”“試驗(yàn)衛(wèi)星服務(wù)系統(tǒng)”“軌道快車”“微小衛(wèi)星技術(shù)試驗(yàn)”“軌道通用軌道修正航天器”“前端機(jī)器人使能近期演示驗(yàn)證”“鳳凰計(jì)劃”，等等。其中“鳳凰計(jì)劃”由美國(guó)國(guó)防高新技術(shù)實(shí)驗(yàn)局自2012年開(kāi)始實(shí)行，準(zhǔn)備研制裝有機(jī)械手的小衛(wèi)星，將其發(fā)射入軌并依附于廢棄或損壞的衛(wèi)星之上，既能從目標(biāo)衛(wèi)星上回收有用零部件，也可將目標(biāo)衛(wèi)星改造成一顆新衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)“涅槃重生”。

德國(guó)很重視空間機(jī)器人研究，目前已經(jīng)進(jìn)行和正在開(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)”（ROTEX）、“試驗(yàn)服務(wù)衛(wèi)星”和“軌道壽命延長(zhǎng)飛行器”。ROTEX是德國(guó)生產(chǎn)的第一個(gè)空間在軌服務(wù)機(jī)器人，也是世界首個(gè)具有地面遙操作能力的空間機(jī)器人系統(tǒng)，可按自主模式、宇航員操作模式和各種地面遙操作模式運(yùn)行，演示驗(yàn)證各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

中國(guó)的在軌服務(wù)技術(shù)近年來(lái)取得不小的進(jìn)展。2015年曾有消息稱，中國(guó)航天科技集團(tuán)公司五院502所自主研發(fā)了一款太空機(jī)器人（其初期版本曾在北京世界機(jī)器人大會(huì)上亮相），體積相當(dāng)于一個(gè)寫字樓普通辦公工位。據(jù)稱這種機(jī)器人擁有設(shè)計(jì)獨(dú)特的機(jī)械臂，每條機(jī)械臂上安裝了數(shù)個(gè)“關(guān)節(jié)”，可獨(dú)立完成在軌添加燃料的操作。今年2月，國(guó)內(nèi)有報(bào)道透露，天津大學(xué)現(xiàn)代機(jī)構(gòu)學(xué)與機(jī)器人學(xué)中心康榮杰副教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一款新型連續(xù)體仿生機(jī)器人，它的本體由超彈性鎳鈦合金制作的中央骨架和3D打印技術(shù)制作的約束盤構(gòu)成，外觀像一只靈巧的手臂。目前該成果已初步應(yīng)用于“空間非合作目標(biāo)捕獲”的研究，有望成為一名出色的“太空捕手”，上天處理失效衛(wèi)星和太空碎片。

寓軍于民的“多面手”

本文開(kāi)篇提到的美國(guó)諾斯洛普·格魯曼公司在在軌服務(wù)領(lǐng)域是比較知名的。該公司的“MEV-1”衛(wèi)星去年成功地為已在軌工作16年的“Intelsat-901”通信衛(wèi)星提供了延壽服務(wù)。此次“MEV-2”服務(wù)的“IS-10-02”衛(wèi)星由原阿斯特里姆公司（現(xiàn)空客防務(wù)與航天公司）采用“歐星3000”平臺(tái)建造，于2004年發(fā)射入軌，主要用于提供寬帶和媒體分發(fā)服務(wù)，設(shè)計(jì)壽命13年，目前星上燃料所剩無(wú)幾。據(jù)悉，“MEV-2”自2021年3月初起一直在對(duì)該星開(kāi)展近距離操作，通過(guò)向其靠近來(lái)校準(zhǔn)和測(cè)試各系統(tǒng)，然后再退開(kāi)。在對(duì)接成功后，兩者今后五年將保持這種狀態(tài)，以延長(zhǎng)“IS-10-02”的使用壽命，再之后“MEV-2”將解除對(duì)接，以去執(zhí)行新的任務(wù)?？偟膩?lái)說(shuō)，“MEV-2”的功用就是充當(dāng)那些功能正常但油料用盡的衛(wèi)星的動(dòng)力系統(tǒng)，讓它們?cè)俣噙\(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間。

在軌維護(hù)技術(shù)的軍事應(yīng)用潛力不容忽視。簡(jiǎn)言之，在未來(lái)的太空沖突中，在軌維護(hù)技術(shù)可被用來(lái)恢復(fù)己方受損的航天器，從而起到削弱敵方打擊效果、抑制敵方打擊欲望的作用。在軌維護(hù)也具備破壞敵方航天器的潛能。比如，“MEV”衛(wèi)星是通過(guò)自身專門對(duì)接機(jī)構(gòu)與目標(biāo)衛(wèi)星的發(fā)動(dòng)機(jī)噴管和星箭對(duì)接環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行捕獲對(duì)接。不難看出，這種在軌維護(hù)的方法實(shí)際是在“挾持”衛(wèi)星，因此可以作為“共軌反衛(wèi)技術(shù)”的一種。

過(guò)去，“共軌反衛(wèi)技術(shù)”主要是通過(guò)使用反衛(wèi)星衛(wèi)星，以自爆、撞擊、發(fā)射武器等方式摧毀敵方衛(wèi)星。但是，這種“太空殲滅者”造成的傷害往往難以挽回，會(huì)導(dǎo)致沖突驟然升級(jí)，所產(chǎn)生的碎片也可能引發(fā)太空災(zāi)難。在軌維護(hù)技術(shù)則提供了一種更為靈活的手段。戰(zhàn)時(shí)，在軌維護(hù)衛(wèi)星可以通過(guò)“強(qiáng)行對(duì)接”的方式，把敵方軍事通信衛(wèi)星或?qū)Ш叫l(wèi)星、偵察衛(wèi)星推離軌道，使其無(wú)法完成任務(wù);也可以依附在其他衛(wèi)星身上，用機(jī)械手拆除一些零件，使之暫時(shí)失效，事后再看情況裝回去。另外，各國(guó)反近地軌道衛(wèi)星技術(shù)日趨成熟，但對(duì)深空目標(biāo)還沒(méi)有太多辦法，此次“MEV-2”服務(wù)的對(duì)象就位于深空靜地軌道，從側(cè)面印證了“MEV”的相關(guān)技術(shù)將來(lái)可以用于對(duì)付深空“非合作目標(biāo)”的趨勢(shì)。