美國(guó)軌道工廠公司商業(yè)在軌加注服務(wù)現(xiàn)狀與發(fā)展

唐浩文 宋博 朱貴偉 （北京空間科技信息研究所）

美國(guó)軌道工廠公司（Orbit Fab）于2023年5月25日宣布，將通過(guò)“燃料庫(kù)”（fuel depot）有效載荷，在2025年為美國(guó)天軍（USSF）地球同步軌道（GEO）小衛(wèi)星泰特拉-5（Tetra-5）提供商業(yè)在軌加注服務(wù)?！叭剂蠋?kù)”載荷將配備名為“快速連接燃料轉(zhuǎn)移接口”（RAFTI）的標(biāo)準(zhǔn)加注接口，為同樣配備RAFTI接口的客戶航天器泰特拉-5衛(wèi)星在軌加注約50kg肼燃料。該任務(wù)標(biāo)志著在軌加注技術(shù)正逐步邁向?qū)嵱没?、商業(yè)化。

在軌加注服務(wù)是指在太空中利用服務(wù)航天器為目標(biāo)航天器（客戶航天器）進(jìn)行氣、液推進(jìn)劑補(bǔ)給的在軌操作，是未來(lái)在軌服務(wù)領(lǐng)域的重要組成部分。文章將梳理研究軌道工廠公司在軌加注服務(wù)發(fā)展情況，并提出幾點(diǎn)研究啟示。

1 軌道工廠公司在軌加注服務(wù)發(fā)展背景及動(dòng)因

軌道工廠公司是成立于2018年的美國(guó)航天初創(chuàng)企業(yè)，專注于“太空加油站”（Gas Station in Space）業(yè)務(wù)，具體包括太空加注基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和在軌燃料輸送兩部分。軌道工廠公司計(jì)劃建立一個(gè)太空加油站網(wǎng)絡(luò)，以支持現(xiàn)有太空業(yè)務(wù)（通信、對(duì)地觀測(cè)等）以及太空旅游、太空制造、太空資源利用等新興產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。軌道工廠公司除擁有位于美國(guó)科羅拉多州的總部外，還在英國(guó)設(shè)有辦事處，目前擁有員工總?cè)藬?shù)超過(guò)60人，估值超過(guò)1億美元。

在軌服務(wù)已成為美國(guó)國(guó)家頂層驅(qū)動(dòng)的重大航天前沿領(lǐng)域

美國(guó)已明確把發(fā)展太空服務(wù)、組裝與制造（ISAM）納入國(guó)家戰(zhàn)略，于2022年4月公開發(fā)布國(guó)家戰(zhàn)略文件。ISAM能顯著提升航天器性能、壽命、靈活性，降低航天器開發(fā)、運(yùn)行成本，提升應(yīng)用效能和回報(bào)率，未來(lái)商業(yè)空間廣闊。美國(guó)北方天空智庫(kù)發(fā)布的2020－2030年太空服務(wù)市場(chǎng)預(yù)測(cè)報(bào)告指出，未來(lái)10年有較明確延壽需求的GEO衛(wèi)星達(dá)75顆，僅此一項(xiàng)服務(wù)預(yù)計(jì)收入可達(dá)32億美元；并且隨著ISAM能力快速發(fā)展，未來(lái)10年內(nèi)ISAM服務(wù)范圍將拓展至航天器重定位、離軌和空間碎片清除等領(lǐng)域，潛在用戶衛(wèi)星超過(guò)230顆，催生數(shù)百億美元市場(chǎng)。該重大市場(chǎng)需求已成為商業(yè)航天公司競(jìng)相發(fā)展在軌加注等在軌服務(wù)系統(tǒng)與能力的重要驅(qū)動(dòng)。

在軌加注服務(wù)是美國(guó)提升航天器服務(wù)效益、搶占全球在軌服務(wù)市場(chǎng)的重要途徑

在軌加注服務(wù)是延長(zhǎng)航天器壽命的簡(jiǎn)單可行手段。傳統(tǒng)航天器往往是“工廠到墳?zāi)埂钡囊淮涡韵钠罚诎l(fā)射入軌時(shí)攜帶的推進(jìn)劑數(shù)量就已確定，但航天器入軌后的位置保持、軌道抬升、碰撞規(guī)避、壽命末期處置和許多其他類型的在軌機(jī)動(dòng)都需要推進(jìn)劑，一旦航天器攜帶的推進(jìn)劑耗盡，即使其他系統(tǒng)仍可正常工作，航天器使用壽命也將終結(jié)。例如：加拿大通信衛(wèi)星公司（Telesat）的阿尼克-F2（Anik-F2）衛(wèi)星在2022年因燃料耗盡，提前3年退役，給運(yùn)營(yíng)商造成了超過(guò)1300萬(wàn)美元的損失。

在軌加注服務(wù)可催生新的太空任務(wù)概念。例如：航天器可在初始燃料較少的情況下發(fā)射，從而減少系統(tǒng)尺寸、復(fù)雜性和發(fā)射成本；通過(guò)在軌加注，航天器運(yùn)營(yíng)商可以根據(jù)不斷變化的需求對(duì)航天器進(jìn)行機(jī)動(dòng)和重定位操作，提升任務(wù)的靈活性。特別是在軌加注服務(wù)的客戶航天器不僅包括傳統(tǒng)的通信、遙感等航天器，也包括其他在軌服務(wù)航天器，使其可以為更廣泛軌道的更多客戶提供服務(wù)，有效提升在軌服務(wù)活動(dòng)的效率和可用性。因此，在軌加注服務(wù)具有很廣闊的市場(chǎng)空間，據(jù)印度海峽研究公司（straits research）最新報(bào)告，2022年全球在軌加注市場(chǎng)規(guī)模為240萬(wàn)美元，到2031年將達(dá)到10.8億美元，平均年復(fù)合增長(zhǎng)率超過(guò)97%，遠(yuǎn)高于在軌服務(wù)領(lǐng)域整體約15%的年復(fù)合增長(zhǎng)率。

在軌加注服務(wù)是美軍加快構(gòu)建軌道作戰(zhàn)所需“無(wú)慮機(jī)動(dòng)”能力的必要手段

美國(guó)天軍在2020年發(fā)布的《太空頂層出版物：天權(quán)》中已明確將“太空機(jī)動(dòng)與后勤”作為其五大核心能力之一加快布局和發(fā)展，“太空機(jī)動(dòng)與后勤”為在太空域、從太空域返回地球以及進(jìn)入太空域的軍事裝備和人員提供機(jī)動(dòng)和保障。由于太空域獨(dú)特的“地形地貌”（在太空域運(yùn)行的航天器沒(méi)有固定的位置、運(yùn)動(dòng)高度與速度需遵循嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系），太空裝備要機(jī)動(dòng)到“對(duì)敵有利位置”相比于其他作戰(zhàn)域更加困難，太空機(jī)動(dòng)與后勤已成為美軍軌道作戰(zhàn)能力的重大制約。

針對(duì)這一問(wèn)題，軌道工廠公司于2020年率先提出“無(wú)慮機(jī)動(dòng)”概念，即“及時(shí)為用戶的航天器補(bǔ)充燃料，延長(zhǎng)用戶航天器運(yùn)行壽命，使用戶能夠‘沒(méi)有顧慮’地操作航天器進(jìn)行機(jī)動(dòng)”，以擴(kuò)大太空裝備活動(dòng)半徑，支撐美軍軌道作戰(zhàn)?！盁o(wú)慮機(jī)動(dòng)”概念受到美國(guó)天軍高度認(rèn)可，后續(xù)天軍以該概念為核心提出了“2030太空后勤”（2030 Space Logistics）愿景，天軍太空系統(tǒng)司令部在此基礎(chǔ)上于2022年底制定了太空機(jī)動(dòng)與后勤能力發(fā)展演進(jìn)路線圖?？紤]技術(shù)難度、風(fēng)險(xiǎn)和可行性，美國(guó)天軍將成熟度相對(duì)較高的“無(wú)慮機(jī)動(dòng)”作為“五步走”演進(jìn)路線圖的第二步，是現(xiàn)階段能力建設(shè)的重點(diǎn)。

2 軌道工廠公司成為商業(yè)在軌加注服務(wù)領(lǐng)域領(lǐng)跑者

軌道工廠公司作為初創(chuàng)公司屢獲多國(guó)加注服務(wù)訂單

自成立以來(lái)，軌道工廠公司發(fā)展迅速，目前已成為世界在軌加注領(lǐng)域的代表性公司，其系統(tǒng)和服務(wù)的發(fā)展歷程大致如下：2019年6月，軌道工廠公司在國(guó)際空間站兩個(gè)衛(wèi)星測(cè)試臺(tái)間成功進(jìn)行液體水傳輸，展示了微重力下航天器間傳輸燃料的能力；2021年6月，軌道工廠公司成功發(fā)射世界首個(gè)在軌燃料存儲(chǔ)庫(kù)——油輪-001（Tanker-001）航天器；2022年，軌道工廠公司發(fā)布了其標(biāo)準(zhǔn)加注接口RAFTI的具體技術(shù)方案；2022年8月，軌道工廠公司宣布推出肼燃料加注服務(wù)，其為GEO衛(wèi)星加注100kg肼燃料的價(jià)格約為2000萬(wàn)美元，并表示未來(lái)還將提供氙、水和氮等燃料的加注服務(wù)。目前軌道公司已接到為超過(guò)100顆衛(wèi)星配備RAFTI接口的請(qǐng)求，并獲得軍、民、商領(lǐng)域多份在軌加注訂單。

軌道工廠公司推出在軌加注服務(wù)核心產(chǎn)品

（1）RAFTI標(biāo)準(zhǔn)加注接口

RAFTI是軌道工廠公司開發(fā)的一種被動(dòng)式流體傳輸接口，主要用途包括發(fā)射前推進(jìn)系統(tǒng)注入和排放燃料、交會(huì)對(duì)接時(shí)的接口、在軌加注期間的流體轉(zhuǎn)移。

RAFTI服務(wù)閥（RSV）由1個(gè)八角形錨鉤固定裝置（Grapple Fixture）、2個(gè)被動(dòng)閥芯（Passive Valve Cores）和其他蓋板封閉組件（Cover Closeout Assembly）組成。其中錨鉤固定裝置用于和用戶衛(wèi)星的對(duì)接界面，提供閥芯對(duì)齊和初級(jí)封閉功能；被動(dòng)閥芯用作流體轉(zhuǎn)移通道，2個(gè)閥芯可支持兩種獨(dú)立流體傳輸，如推進(jìn)劑和加壓劑。閥芯采用彈性O(shè)形圈進(jìn)行靜態(tài)封閉，帶電密封圈進(jìn)行動(dòng)態(tài)封閉；蓋板封閉組件用作完成最終密閉。

軌道工廠公司獲得的主要在軌加注服務(wù)訂單

RAFTI的尺寸為45mm×75mm×75mm，質(zhì)量為500g，工作壓力為650psi（4500kPa）或3000psi（21000kPa）。

（2）“用于加注效能提升的通用任務(wù)規(guī)劃器”（UMPIRE）軟件

UMPIRE是軌道工廠公司開發(fā)的加注任務(wù)分析軟件，可以幫助用戶計(jì)算執(zhí)行特定任務(wù)可負(fù)擔(dān)的有效載荷質(zhì)量，分析在軌加注帶來(lái)的收益，并規(guī)劃需在任務(wù)過(guò)程中的何時(shí)何處進(jìn)行加注。

軌道工廠公司提出兩種在軌加注服務(wù)方案

軌道工廠公司目前提供兩種在軌加注方案，一是通過(guò)“燃料庫(kù)”載荷，主要提供被動(dòng)加注服務(wù)；二是通過(guò)“燃料班車”（Fuel Shuttle）航天器，主要提供主動(dòng)加注服務(wù)。

RAFTI服務(wù)閥具體尺寸圖

無(wú)論是“燃料庫(kù)”載荷方案或“燃料班車”航天器方案，都各包括一套通用加注組件（CORE）?！巴ㄓ眉幼⒔M件”基礎(chǔ)配置包括RAFTI服務(wù)閥、對(duì)接基準(zhǔn)點(diǎn)、液體管理系統(tǒng)、燃料儲(chǔ)存箱，如需主動(dòng)與客戶航天器對(duì)接，需選配“對(duì)象抓取和補(bǔ)給接口”（GRIP）和流體泵。GRIP是一種主動(dòng)對(duì)接接口，能夠與RAFTI配合進(jìn)行燃料傳輸。

“燃料庫(kù)”載荷方案主要目的是將燃料運(yùn)輸?shù)教詹⒏咝Т鎯?chǔ)，成本相對(duì)較低，包含高質(zhì)量占比的燃料和用于姿態(tài)控制與有效載荷運(yùn)行的基本組件；“燃料班車”航天器方案配備了軌道工廠公司的“智能抵近和交會(huì)組件”，也具備強(qiáng)機(jī)動(dòng)能力的推進(jìn)系統(tǒng)，“燃料班車”可以將燃料從在軌燃料存儲(chǔ)庫(kù)運(yùn)送給配備RAFTI接口的客戶航天器?！叭剂习嘬嚒本邆漭^強(qiáng)的可靠性，成本相對(duì)較高，但可以通過(guò)數(shù)十次的重復(fù)使用來(lái)分?jǐn)偝杀尽?/p>

軌道工廠公司在美國(guó)天軍泰特拉-5衛(wèi)星的在軌加注任務(wù)中，采取了“燃料庫(kù)”載荷方案。“燃料庫(kù)”載荷將搭載在美國(guó)脈沖航天公司（Pulse Space）的“米拉”（Milla）衛(wèi)星上，為同樣配備RAFTI接口的泰特拉-5衛(wèi)星在軌加注不超過(guò)50kg肼燃料。“米拉”載荷托管平臺(tái)是初創(chuàng)公司脈沖航天開發(fā)的軌道轉(zhuǎn)移飛行器，主要為“燃料庫(kù)”載荷提供能源、通信、姿態(tài)控制和機(jī)動(dòng)等托管服務(wù)。效果圖顯示“燃料庫(kù)”載荷將配備GRIP，推測(cè)會(huì)采取由任務(wù)航天器主動(dòng)對(duì)接加注的方式。

軌道工廠公司兩種加注方案對(duì)比

3 研究啟示

（1）在軌服務(wù)加速邁進(jìn)商業(yè)服務(wù)階段，將引發(fā)太空體系架構(gòu)與裝備形態(tài)重大變革

在軌服務(wù)加速邁進(jìn)商業(yè)服務(wù)階段。主要航天國(guó)家已認(rèn)識(shí)到，在軌服務(wù)正在成為新一輪全球太空技術(shù)創(chuàng)新、太空經(jīng)濟(jì)發(fā)展、太空軍事能力提升的新高地，進(jìn)而成為其拓展國(guó)家戰(zhàn)略空間、搶占太空公域經(jīng)濟(jì)利益和軍事優(yōu)勢(shì)的新支點(diǎn)。2019年，諾格公司（NG）任務(wù)拓展飛行器-1（MEV-1）為國(guó)際通信衛(wèi)星公司（Intelsat）的國(guó)際通信衛(wèi)星-901（Intelsat-901）成功提供在軌延壽服務(wù)，給予行業(yè)重大信心。同時(shí)，美國(guó)發(fā)布國(guó)家在軌服務(wù)戰(zhàn)略，給予政策性支持，美國(guó)天軍項(xiàng)目管理部門投入數(shù)億美元經(jīng)費(fèi)支持100余家商業(yè)公司開展創(chuàng)新概念開發(fā)和前沿技術(shù)孵化，其中大量項(xiàng)目計(jì)劃在2025年前后完成。據(jù)此可研判，全球在軌服務(wù)行業(yè)正進(jìn)入蓬勃發(fā)展階段，呈現(xiàn)井噴態(tài)勢(shì)，表明商業(yè)在軌服務(wù)時(shí)代即將到來(lái)。

在軌服務(wù)將引發(fā)太空體系架構(gòu)與裝備形態(tài)重大變革。在軌服務(wù)覆蓋航天器從入軌到退役處置全壽命周期的在軌組裝建造、維修維護(hù)、改造升級(jí)、末期處置服務(wù)，將顛覆現(xiàn)有太空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，極大破除當(dāng)前太空系統(tǒng)在設(shè)計(jì)、建造、發(fā)射方面受到的制約。美國(guó)天軍在2022年12月發(fā)布的《太空條令出版物4-0：維持》提出了“可靠性、可用性、可維性”（RAM）太空裝備綜合考慮指標(biāo)，且正在推動(dòng)在軍方太空裝備上配備標(biāo)準(zhǔn)在軌服務(wù)接口，例如：軌道工廠公司的RAFTI、洛馬公司（LM）的“在軌對(duì)接任務(wù)增強(qiáng)端口”（MAP，交會(huì)對(duì)接接口）與“增強(qiáng)系統(tǒng)端口接口”（ASPIN，電氣和數(shù)據(jù)接口）等，未來(lái)太空裝備將是可補(bǔ)加、可維護(hù)、可升級(jí)的，裝備形態(tài)和運(yùn)用方式將產(chǎn)生巨大轉(zhuǎn)變。

（2）軌道工廠公司提前布局、概念牽引、主導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)，是搶先占領(lǐng)和持續(xù)擴(kuò)大在軌加注市場(chǎng)的制勝之道

隨著商業(yè)在軌服務(wù)時(shí)代即將到來(lái)，在軌服務(wù)領(lǐng)域行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)將逐步加劇，軌道工廠公司通過(guò)提前布局、概念牽引、主導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)，脫穎而出成為在軌加注服務(wù)領(lǐng)域的領(lǐng)跑者。

提前布局，形成技術(shù)優(yōu)勢(shì)。在軌服務(wù)領(lǐng)域涉及高效推進(jìn)、先進(jìn)傳感器、機(jī)械臂、智能自主控制等諸多技術(shù)，整體技術(shù)難度普遍較高，在軌服務(wù)公司從概念提出到服務(wù)應(yīng)用往往需要至少8－10年的時(shí)間，例如：諾格公司的“任務(wù)拓展飛行器”系列在軌延壽航天器從2011年概念提出到2019年發(fā)射首星提供服務(wù)歷經(jīng)8年時(shí)間。軌道工廠公司在在軌加注服務(wù)市場(chǎng)并不明朗的情況下，堅(jiān)定市場(chǎng)研判，提前布局，自2018年成立以來(lái)專注商業(yè)在軌加注服務(wù)技術(shù)攻關(guān)和系統(tǒng)開發(fā)，通過(guò)國(guó)際空間站衛(wèi)星測(cè)試平臺(tái)、技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星演示驗(yàn)證關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)其他公司形成顯著技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

提出概念，牽引市場(chǎng)需求。軌道工廠公司在發(fā)展過(guò)程中提出了契合美國(guó)天軍軌道作戰(zhàn)需求的“無(wú)慮機(jī)動(dòng)”的概念，被天軍認(rèn)可并納入體系愿景和能力發(fā)展規(guī)劃，未來(lái)美國(guó)天軍在采購(gòu)加注服務(wù)時(shí)必將優(yōu)先考慮軌道工廠公司。例如：在天軍本次3顆泰特拉-5衛(wèi)星（泰特拉-5A/5B/5C）的加注服務(wù)采購(gòu)中，軌道工廠成為首家確定的加注服務(wù)供應(yīng)商。

制定標(biāo)準(zhǔn)，把控行業(yè)話語(yǔ)權(quán)。采用在軌加注標(biāo)準(zhǔn)接口是在軌加注技術(shù)與能力發(fā)展、建立在軌加注行業(yè)生態(tài)的先決條件。軌道工廠公司率先推出標(biāo)準(zhǔn)加注接口RAFTI，并發(fā)布了具體技術(shù)方案，搶占了行業(yè)發(fā)展先機(jī)。美軍2022年向軌道工廠公司授予合同，為美軍方航天器集成RAFTI接口，一旦通過(guò)RAFTI接口在軍方航天器上提供在軌加注的成功示范，RAFTI接口或?qū)⒃诿绹?guó)軍、民、商各領(lǐng)域得到快速推廣，屆時(shí)軌道工廠公司對(duì)在軌加注行業(yè)的話語(yǔ)權(quán)將顯著增強(qiáng)。