□ 陳 杰

“軌道快車”進(jìn)行抓星試驗(yàn)

衛(wèi)星在軌操作任務(wù)主要包括在軌燃料加注、在軌模塊更換、在軌發(fā)射、在軌空間碎片清除等。值得指出的是，在軌操作可以針對己方航天器進(jìn)行，也可以針對敵方航天器進(jìn)行。能夠通過在軌加注延長航天器壽命，也可以利用交會對接和空間機(jī)械手技術(shù)將敵方航天器拖離目標(biāo)軌道，具有巨大的商業(yè)和軍用潛力。

機(jī)器人大展身手——綜合性衛(wèi)星在軌操作系統(tǒng)

綜合性衛(wèi)星在軌操作系統(tǒng)將演示驗(yàn)證多種類型的在軌操作，主要包括美國的前端機(jī)器人技術(shù)近期演示（FREND）項(xiàng)目和德國的軌道服務(wù)任務(wù)系統(tǒng)。

美國國防高級研究計(jì)劃局（DARPA）在軌道快車計(jì)劃之后，目前正在執(zhí)行FREND計(jì)劃。該試驗(yàn)的主要目標(biāo)包括三個方面：一是幫助延長衛(wèi)星使用壽命，節(jié)省成本；二是驗(yàn)證在軌自主衛(wèi)星服務(wù)能力；三是驗(yàn)證太空機(jī)器人活動的有效性。FREND航天器的最大特點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的捕獲，因此可以改造成空間武器。FREND機(jī)器人的最終運(yùn)行軌道為地球同步軌道。

FREND航天器主要由推進(jìn)模塊和有效載荷模塊兩部分組成：推進(jìn)模塊包括一臺推力491牛的火箭發(fā)動機(jī)、六臺22牛的姿態(tài)控制系統(tǒng)推進(jìn)器、2個相連的太陽能電池陣、星象跟蹤儀、慣性測量單元、兩臺天地鏈路系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)器、全球定位系統(tǒng)接收器及平臺處理器；有效載荷模塊包括自動對接及捕獲系統(tǒng)，具體有三個7自由度的萬能機(jī)械手、計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)、三個工具箱、遠(yuǎn)程獲取傳感器以及有效載荷處理器。推進(jìn)模塊與有效載荷模塊的功能相互獨(dú)立。

FREND航天器主要功能包括：在設(shè)計(jì)之初考慮到在軌維修的需求，因此在此類航天器上安裝有特殊設(shè)計(jì)的相應(yīng)對接和部件替換的接口，能進(jìn)行在軌維修、更換并安裝軌道替換單元、補(bǔ)充燃料等；對于那些原來未考慮在軌維修服務(wù)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。目前，DARPA正在尋求合作投資者以在近期進(jìn)行在軌演示。2010財年FREND項(xiàng)目的投資為1200萬美元，2011財年申請的預(yù)算為900萬美元。

德國自由飛行機(jī)器人系統(tǒng)計(jì)劃停止后，德國又提出了近期開展的德國軌道服務(wù)任務(wù)（DEOS）項(xiàng)目，在2008年2月完成了階段A方案設(shè)計(jì)，任務(wù)目標(biāo)為：對合作衛(wèi)星的對接，對滾轉(zhuǎn)非合作目標(biāo)的捕獲，主星和目標(biāo)星的組合體離軌機(jī)動。需要指出的是，DEOS是以地球同步軌道衛(wèi)星為服務(wù)對象的，但近期將先在低地球軌道上開展演示，以驗(yàn)證滾轉(zhuǎn)非合作目標(biāo)的自主捕獲、對接等關(guān)鍵技術(shù)。

DEOS項(xiàng)目的目的是處置退役衛(wèi)星。2009年2月初始設(shè)計(jì)階段完成。2010年2月開始詳細(xì)設(shè)計(jì)階段的工作到2011年8月結(jié)束。2010年，德國航天局指定OHB系統(tǒng)公司全面負(fù)責(zé)DEOS項(xiàng)目定義階段的系統(tǒng)管理工作。DEOS項(xiàng)目結(jié)合了機(jī)器人技術(shù)、衛(wèi)星技術(shù)以及驅(qū)動和控制技術(shù)。DEOS項(xiàng)目還有其他目標(biāo)包括：無人在軌監(jiān)視、維護(hù)和軌道設(shè)施的在軌裝配，同時包括清除空間碎片。DEOS的技術(shù)驗(yàn)證集中在制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制技術(shù)，非合作目標(biāo)與合作目標(biāo)的捕獲技術(shù)，軌道機(jī)動以及離軌控制等。2010年2月，德國航天局授出DEOS系統(tǒng)的5份合同，一旦決定建造演示樣機(jī)，DEOS項(xiàng)目的成本將達(dá)到2.72億美元。

DARPA的FREND計(jì)劃示意圖

太空加油站——在軌燃料加注與模塊更換

在常溫推進(jìn)劑方面，美國的軌道快車項(xiàng)目已經(jīng)完成在軌演示驗(yàn)證。加拿大麥克唐納·德特威勒公司（MDA）在2011年與國際衛(wèi)星組織簽訂了全球第一份衛(wèi)星在軌加注協(xié)議，計(jì)劃在2015年為國際衛(wèi)星組織運(yùn)營的地球靜止軌道衛(wèi)星提供在軌加注服務(wù)。歐洲的赫爾墨斯項(xiàng)目和多國合作的衛(wèi)星延壽系統(tǒng)項(xiàng)目仍在繼續(xù)研制過程中。在低溫推進(jìn)劑方面，目前只有美國在開展低溫推進(jìn)劑在軌加注的研究工作。

2011年3月16日，MDA宣布與國際衛(wèi)星組織簽署了全球第一個為地球同步軌道衛(wèi)星提供服務(wù)的協(xié)議。國際通信衛(wèi)星公司將作為MDA擬議中的太空基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)（SIS）飛行器的“錨點(diǎn)”用戶。

SIS飛行器將與地球同步軌道航天器對接并補(bǔ)充燃料以延長其壽命。SIS飛行器的機(jī)器人系統(tǒng)也可以用來執(zhí)行諸如釋放被卡住的天線等航天器維修，甚至捕獲軌道碎片。國際衛(wèi)星公司又將通過其國際衛(wèi)星總部子公司將這些服務(wù)轉(zhuǎn)售給美國政府用戶。國際通信衛(wèi)星公司與MDA的協(xié)議價值并未披露，但估計(jì)多達(dá)2億美元。該協(xié)議設(shè)想為4～5顆衛(wèi)星傳送1000千克推進(jìn)劑，使每顆衛(wèi)星的運(yùn)行壽命額外增加數(shù)年。首顆SIS衛(wèi)星計(jì)劃在2015年發(fā)射。

為了驗(yàn)證低溫推進(jìn)劑的在軌轉(zhuǎn)移和存儲技術(shù)，美國航宇局（NASA）制定了“出發(fā)點(diǎn)”計(jì)劃，計(jì)劃于2015年發(fā)射在軌技術(shù)演示驗(yàn)證衛(wèi)星。

“出發(fā)點(diǎn)”計(jì)劃飛行器的集成將在肯尼迪航天中心進(jìn)行，將利用宇宙神-5運(yùn)載火箭發(fā)射進(jìn)入高550千米、傾角為28.5°的低地球軌道，在軌演示超過10個月。驗(yàn)證系統(tǒng)包括兩個飛行器即推進(jìn)劑轉(zhuǎn)移和存儲驗(yàn)證（PTSD）飛行器以及自主交會對接驗(yàn)證飛行器（ADV）。演示內(nèi)容包括四個方面：飛行器內(nèi)部低溫流體管理，驗(yàn)證低溫儲存技術(shù)和低溫流體傳輸；低溫推進(jìn)試驗(yàn)，驗(yàn)證液氧和液態(tài)甲烷推進(jìn)劑助推器性能，包括多次點(diǎn)火試驗(yàn)；自主交會對接，PTSD和ADV將執(zhí)行一系列機(jī)動以驗(yàn)證和試驗(yàn)自主交會對接技術(shù)；飛行器間的低溫流體管理?！俺霭l(fā)點(diǎn)”計(jì)劃中研究的低溫推進(jìn)劑主要包括液氫、液氧、液態(tài)甲烷等。美國航宇局認(rèn)為，總體上低溫推進(jìn)劑在軌傳輸?shù)募夹g(shù)成熟度小于5級。

任務(wù)擴(kuò)展飛行器為地球同步軌道衛(wèi)星提供在軌延壽服務(wù)

太空清潔工——在軌空間碎片清除與輔助進(jìn)入預(yù)定軌道

2009年11月，美國航宇局和DARPA召開了關(guān)于清除空間碎片的研討會，提出了多種方案。其中美國恒星技術(shù)公司提出的利用電動碎片清除裝置（EDDE）清除空間碎片的方案較為重要，這種方案可以以較為合理的成本清除大型空間碎片。EDDE的兩端是兩顆微衛(wèi)星，由多段各1千米長、30毫米寬、38微米厚的帶狀鋁制導(dǎo)線連接在一起，各段導(dǎo)線之間安裝用于提供能源的太陽電池板。鋁制導(dǎo)線是電子收集器，整個EDDE的兩端有兩個電子發(fā)射器。EDDE實(shí)際上是一種無推進(jìn)劑的電動發(fā)動機(jī)，與地球磁場的方向相反。EDDE處于低地球軌道，在地球偶極子磁場內(nèi)運(yùn)行，周圍充滿了被電離層捕獲的太陽風(fēng)帶來的等離子。太陽電池板產(chǎn)生的電流通過帶狀鋁制導(dǎo)線，在磁場中產(chǎn)生與導(dǎo)線長度、電流強(qiáng)度以及磁場強(qiáng)度成正比的洛侖茲力。

DEOS系統(tǒng)組成示意圖（左）及仿真示意圖（右）

每一個EDDE的質(zhì)量為100千克，收攏后所占空間的長、寬、高分別為0.6米、0.6米、0.3米?？梢匝b載在運(yùn)載火箭次級有效載荷適配器中。每一個EDDE兩端各有一個網(wǎng)絡(luò)管理器，每一個網(wǎng)絡(luò)管理器上有100個各50克重的格形網(wǎng)。EDDE以每秒2米～3米的速度經(jīng)過目標(biāo)，將其捕入網(wǎng)內(nèi)。恒星技術(shù)公司將要首先進(jìn)行縮比例尺的EDDE樣機(jī)演示驗(yàn)證，樣機(jī)質(zhì)量50千克，長度為2千米～3千米。將驗(yàn)證軌道轉(zhuǎn)移和交會能力并確定跟蹤和控制方法。目前，恒星公司已經(jīng)開始測試EDDE技術(shù)，期望2013年進(jìn)行試驗(yàn)飛行。如果試驗(yàn)成功，EDDE將在2017年以前開始低地球軌道的全面清掃運(yùn)行工作。

2011年1月13日，美國太空有限責(zé)任公司宣布與阿聯(lián)特技術(shù)系統(tǒng)公司聯(lián)合成立維維衛(wèi)星公司，其目的是為地球同步軌道衛(wèi)星運(yùn)營商提供靈活且可升級的高效、低風(fēng)險在軌衛(wèi)星延壽和防護(hù)服務(wù)，可使衛(wèi)星工作壽命增加數(shù)年。維維公司將使用任務(wù)擴(kuò)展飛行器（MEV）在軌與衛(wèi)星對接并牢固鎖緊，充當(dāng)備用推進(jìn)系統(tǒng)，這能夠延長機(jī)動燃料已耗盡但仍有電力可使有效載荷工作的衛(wèi)星的任務(wù)壽命。

MEV能夠在衛(wèi)星運(yùn)行不間斷的情況下與之交會對接，執(zhí)行長期位置保持和姿態(tài)控制、重新確定不同的軌道或軌道槽、離軌、救援以及使擱淺在錯誤軌道槽內(nèi)的衛(wèi)星重新入軌等服務(wù)。

波音公司提出的高強(qiáng)度電動力系繩在軌發(fā)射設(shè)施

NASA的“出發(fā)點(diǎn)”系統(tǒng)在軌運(yùn)行示意圖

國外發(fā)展衛(wèi)星在軌操作系統(tǒng)的三點(diǎn)啟示

衛(wèi)星在軌操作將對航天器的發(fā)展產(chǎn)生重要影響，有著廣泛的民用和軍用潛力、能產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效益，其發(fā)展長期以來受到航天大國的重視。根據(jù)前文對國外衛(wèi)星在軌操作系統(tǒng)的分析可以得到以下三點(diǎn)啟示：

一、衛(wèi)星在軌操作系統(tǒng)將帶來航天器發(fā)展的重大變革。

傳統(tǒng)的航天器在發(fā)射入軌后，其攜帶的推進(jìn)劑和各組成模塊就固化了。在初期攜帶的推進(jìn)劑耗盡后、即使其他系統(tǒng)仍能正常工作，其使用壽命也即告終結(jié)。此外，作為一個整體的大系統(tǒng)，航天器的一個關(guān)鍵部件失效會導(dǎo)致整星無法工作。另一方面，為了節(jié)省推進(jìn)劑、延長在軌使用時間，航天器的機(jī)動能力往往受到限制，導(dǎo)致無法完成一些特殊功能。通過包括在軌道加注、在軌模塊更換等在軌操作為航天器加注燃料、更換故障部件，將為航天器提供新的動力源泉，使其重新進(jìn)入工作狀態(tài)。把以往只有在地面上的“加油站和維修站”搬到軌道空間，使航天器可以享受“太空加油和維修”服務(wù)，延長使用壽命，進(jìn)行技術(shù)升級。這是以往衛(wèi)星系統(tǒng)做不到的。

二、衛(wèi)星在軌操作系統(tǒng)具有巨大的應(yīng)用潛力。

在軍事應(yīng)用方面，衛(wèi)星在軌操作系統(tǒng)能夠進(jìn)行推進(jìn)劑的在軌補(bǔ)給，可以大大提高航天器的在軌機(jī)動能力，并增強(qiáng)其執(zhí)行任務(wù)的靈活性，如：使偵察衛(wèi)星能夠根據(jù)對地觀測的要求靈活調(diào)整地面覆蓋區(qū)域和觀測時間，或機(jī)動變軌跟蹤監(jiān)視目標(biāo)航天器，從而實(shí)現(xiàn)靈活部署偵察與監(jiān)視衛(wèi)星的能力，滿足空間攻防對抗的要求。同時，通過提高航天器的軌道機(jī)動能力，能夠大大降低被敵方航天器攻擊的概率，從而提高己方航天器的生存能力。

在商業(yè)應(yīng)用方面，由于發(fā)射條件與成本、航天器結(jié)構(gòu)與質(zhì)量的限制，推進(jìn)劑的攜帶量有限。一旦航天器推進(jìn)劑提前耗盡，則會縮短在軌工作壽命。通過衛(wèi)星在軌操作可以大大降低航天器全壽命周期費(fèi)用，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)MDA公司估算，2002～2011年的十年間，全球共有50顆地球同步軌道通信衛(wèi)星因燃料提前耗盡而失效、15顆因其他原因不能正常工作。替換這些衛(wèi)星的成本為120億～160億美元。2012～2020年可能有106顆地球同步軌道通信衛(wèi)星因燃料提前耗盡失效、30顆因其他原因不能正常工作。替換衛(wèi)星的成本更是高達(dá)300億～360億美元。如果能夠通過在軌加注系統(tǒng)為衛(wèi)星補(bǔ)充燃料，充分延長使用壽命，可以節(jié)省大量成本。

維維衛(wèi)星公司的任務(wù)擴(kuò)展飛行器（MEV）為地球同步軌道衛(wèi)星提供在軌延壽服務(wù)

三、國外總體上采取漸進(jìn)式思路發(fā)展衛(wèi)星在軌操作系統(tǒng)。

國外衛(wèi)星在軌操作系統(tǒng)的發(fā)展首先是在近地軌道上開展對合作目標(biāo)的演示驗(yàn)證，隨后逐步向高軌道、非合作目標(biāo)推進(jìn)。例如美國的軌道快車項(xiàng)目和前端機(jī)器人近期演示項(xiàng)目就是很好的例證。又如在推進(jìn)劑在軌加注方面，美國在突破了常溫肼推進(jìn)劑在軌加注技術(shù)后，目前正在開展技術(shù)難度更大的低溫推進(jìn)劑在軌加注的研究工作。這種先易后難、循序漸進(jìn)的發(fā)展思路符合技術(shù)進(jìn)步的客觀規(guī)律，是一種值得借鑒和遵循的模式。

在在軌操作的任務(wù)對象方面，針對合作目標(biāo)的操作任務(wù)難度相對較低，但對于大多數(shù)已在軌服務(wù)的地球同步軌道航天器和空間碎片，沒有安裝用于機(jī)械臂捕獲的抓持機(jī)構(gòu)以及用于輔助測量的合作標(biāo)志器和特征塊等，即目標(biāo)是非合作的。要實(shí)現(xiàn)對此類目標(biāo)的服務(wù)，首先需要解決測量問題，即采用相應(yīng)的測量設(shè)備，在遠(yuǎn)、中、近距離提供對目標(biāo)相對位置、姿態(tài)的測量值，作為目標(biāo)跟蹤、接近、捕獲等過程的導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制的輸入。針對非合作目標(biāo)的在軌操作還處于技術(shù)成熟度較低的階段，雖然目前已經(jīng)提出了一些方法，但都有相應(yīng)的局限性，要么假定目標(biāo)的外形尺寸已知，要么僅能針對某一類型特定目標(biāo)，離真正運(yùn)用還有很大差距。

用于清除空間碎片的電動碎片清除裝置

相關(guān)鏈接

在軌發(fā)射

美國波音公司曾于2001年提出過一種高超聲速飛機(jī)空間系繩軌道發(fā)射系統(tǒng)（HASTOLS）設(shè)想并開展了第一階段的研究工作。HASTOLS由兩部分組成：高超聲速飛機(jī)和在軌的系繩系統(tǒng)。

高超聲速飛機(jī)使用波音現(xiàn)有的代號為DF-9的雙燃料吸氣式飛行器。其與X-43的外形類似并使用X-43在2000年測試過的發(fā)動機(jī)。DF-9長9米，直徑3米，可以在100千米高度以每秒3.6千米（約11.5馬赫）的速度釋放衛(wèi)星。

系繩系統(tǒng)包括主動系繩控制站、600千米長的錐形系繩以及安裝在系繩端部的抓捕機(jī)構(gòu)。系繩的質(zhì)心位于距控制站90千米、距抓捕端510千米的位置。系繩系統(tǒng)的質(zhì)心的運(yùn)行軌道為遠(yuǎn)地點(diǎn)700千米、近地點(diǎn)610千米的橢圓軌道。系繩系統(tǒng)的端部以每秒3.5千米的速度繞質(zhì)心轉(zhuǎn)動。系繩系統(tǒng)的軌道運(yùn)行周期為98分鐘，系繩圍繞質(zhì)心的擺動周期為16分鐘。根據(jù)載荷發(fā)射的需求，系繩可以通過使用電力系繩推進(jìn)和系繩長度調(diào)節(jié)泵調(diào)整其軌道離心率和能量以及擺動速率，這其中需要太陽能而不需要推進(jìn)劑。系繩系統(tǒng)的端部抓捕機(jī)構(gòu)抓住高超聲速飛機(jī)上的有效載荷并將其與有效載荷分離，在設(shè)定的高度釋放載荷進(jìn)入預(yù)定軌道。