他山之石 可以攻玉——國外衛星在軌操作系統發展分析

□ 陳 杰

“軌道快車”進行抓星試驗

衛星在軌操作任務主要包括在軌燃料加注、在軌模塊更換、在軌發射、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行，也可以針對敵方航天器進行。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械手技術將敵方航天器拖離目標軌道，具有巨大的商業和軍用潛力。

機器人大展身手——綜合性衛星在軌操作系統

綜合性衛星在軌操作系統將演示驗證多種類型的在軌操作，主要包括美國的前端機器人技術近期演示（FREND）項目和德國的軌道服務任務系統。

美國國防高級研究計劃局（DARPA）在軌道快車計劃之后，目前正在執行FREND計劃。該試驗的主要目標包括三個方面：一是幫助延長衛星使用壽命，節省成本；二是驗證在軌自主衛星服務能力；三是驗證太空機器人活動的有效性。FREND航天器的最大特點是能實現對目標的捕獲，因此可以改造成空間武器。FREND機器人的最終運行軌道為地球同步軌道。

FREND航天器主要由推進模塊和有效載荷模塊兩部分組成：推進模塊包括一臺推力491牛的火箭發動機、六臺22牛的姿態控制系統推進器、2個相連的太陽能電池陣、星象跟蹤儀、慣性測量單元、兩臺天地鏈路系統轉發器、全球定位系統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，具體有三個7自由度的萬能機械手、計算機視覺系統、三個工具箱、遠程獲取傳感器以及有效載荷處理器。推進模塊與有效載荷模塊的功能相互獨立。

FREND航天器主要功能包括：在設計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計的相應對接和部件替換的接口，能進行在軌維修、更換并安裝軌道替換單元、補充燃料等；對于那些原來未考慮在軌維修服務的航天器，能夠進行位置保持、姿態控制、軌道轉移和修正。目前，DARPA正在尋求合作投資者以在近期進行在軌演示。2010財年FREND項目的投資為1200萬美元，2011財年申請的預算為900萬美元。

德國自由飛行機器人系統計劃停止后，德國又提出了近期開展的德國軌道服務任務（DEOS）項目，在2008年2月完成了階段A方案設計，任務目標為：對合作衛星的對接，對滾轉非合作目標的捕獲，主星和目標星的組合體離軌機動。需要指出的是，DEOS是以地球同步軌道衛星為服務對象的，但近期將先在低地球軌道上開展演示，以驗證滾轉非合作目標的自主捕獲、對接等關鍵技術。

DEOS項目的目的是處置退役衛星。2009年2月初始設計階段完成。2010年2月開始詳細設計階段的工作到2011年8月結束。2010年，德國航天局指定OHB系統公司全面負責DEOS項目定義階段的系統管理工作。DEOS項目結合了機器人技術、衛星技術以及驅動和控制技術。DEOS項目還有其他目標包括：無人在軌監視、維護和軌道設施的在軌裝配，同時包括清除空間碎片。DEOS的技術驗證集中在制導、導航與控制技術，非合作目標與合作目標的捕獲技術，軌道機動以及離軌控制等。2010年2月，德國航天局授出DEOS系統的5份合同，一旦決定建造演示樣機，DEOS項目的成本將達到2.72億美元。

DARPA的FREND計劃示意圖

太空加油站——在軌燃料加注與模塊更換

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

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

SIS飛行器將與地球同步軌道航天器對接并補充燃料以延長其壽命。SIS飛行器的機器人系統也可以用來執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。國際衛星公司又將通過其國際衛星總部子公司將這些服務轉售給美國政府用戶。國際通信衛星公司與MDA的協議價值并未披露，但估計多達2億美元。該協議設想為4～5顆衛星傳送1000千克推進劑，使每顆衛星的運行壽命額外增加數年。首顆SIS衛星計劃在2015年發射。

為了驗證低溫推進劑的在軌轉移和存儲技術，美國航宇局（NASA）制定了“出發點”計劃，計劃于2015年發射在軌技術演示驗證衛星。

“出發點”計劃飛行器的集成將在肯尼迪航天中心進行，將利用宇宙神-5運載火箭發射進入高550千米、傾角為28.5°的低地球軌道，在軌演示超過10個月。驗證系統包括兩個飛行器即推進劑轉移和存儲驗證（PTSD）飛行器以及自主交會對接驗證飛行器（ADV）。演示內容包括四個方面：飛行器內部低溫流體管理，驗證低溫儲存技術和低溫流體傳輸；低溫推進試驗，驗證液氧和液態甲烷推進劑助推器性能，包括多次點火試驗；自主交會對接，PTSD和ADV將執行一系列機動以驗證和試驗自主交會對接技術；飛行器間的低溫流體管理。“出發點”計劃中研究的低溫推進劑主要包括液氫、液氧、液態甲烷等。美國航宇局認為，總體上低溫推進劑在軌傳輸的技術成熟度小于5級。

任務擴展飛行器為地球同步軌道衛星提供在軌延壽服務

太空清潔工——在軌空間碎片清除與輔助進入預定軌道

2009年11月，美國航宇局和DARPA召開了關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的兩端是兩顆微衛星，由多段各1千米長、30毫米寬、38微米厚的帶狀鋁制導線連接在一起，各段導線之間安裝用于提供能源的太陽電池板。鋁制導線是電子收集器，整個EDDE的兩端有兩個電子發射器。EDDE實際上是一種無推進劑的電動發動機，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運行，周圍充滿了被電離層捕獲的太陽風帶來的等離子。太陽電池板產生的電流通過帶狀鋁制導線，在磁場中產生與導線長度、電流強度以及磁場強度成正比的洛侖茲力。

DEOS系統組成示意圖（左）及仿真示意圖（右）

每一個EDDE的質量為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。可以裝載在運載火箭次級有效載荷適配器中。每一個EDDE兩端各有一個網絡管理器，每一個網絡管理器上有100個各50克重的格形網。EDDE以每秒2米～3米的速度經過目標，將其捕入網內。恒星技術公司將要首先進行縮比例尺的EDDE樣機演示驗證，樣機質量50千克，長度為2千米～3千米。將驗證軌道轉移和交會能力并確定跟蹤和控制方法。目前，恒星公司已經開始測試EDDE技術，期望2013年進行試驗飛行。如果試驗成功，EDDE將在2017年以前開始低地球軌道的全面清掃運行工作。

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

MEV能夠在衛星運行不間斷的情況下與之交會對接，執行長期位置保持和姿態控制、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的衛星重新入軌等服務。

波音公司提出的高強度電動力系繩在軌發射設施

NASA的“出發點”系統在軌運行示意圖

國外發展衛星在軌操作系統的三點啟示

衛星在軌操作將對航天器的發展產生重要影響，有著廣泛的民用和軍用潛力、能產生可觀的經濟效益，其發展長期以來受到航天大國的重視。根據前文對國外衛星在軌操作系統的分析可以得到以下三點啟示：

一、衛星在軌操作系統將帶來航天器發展的重大變革。

傳統的航天器在發射入軌后，其攜帶的推進劑和各組成模塊就固化了。在初期攜帶的推進劑耗盡后、即使其他系統仍能正常工作，其使用壽命也即告終結。此外，作為一個整體的大系統，航天器的一個關鍵部件失效會導致整星無法工作。另一方面，為了節省推進劑、延長在軌使用時間，航天器的機動能力往往受到限制，導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，使其重新進入工作狀態。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，延長使用壽命，進行技術升級。這是以往衛星系統做不到的。

二、衛星在軌操作系統具有巨大的應用潛力。

在軍事應用方面，衛星在軌操作系統能夠進行推進劑的在軌補給，可以大大提高航天器的在軌機動能力，并增強其執行任務的靈活性，如：使偵察衛星能夠根據對地觀測的要求靈活調整地面覆蓋區域和觀測時間，或機動變軌跟蹤監視目標航天器，從而實現靈活部署偵察與監視衛星的能力，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。

在商業應用方面，由于發射條件與成本、航天器結構與質量的限制，推進劑的攜帶量有限。一旦航天器推進劑提前耗盡，則會縮短在軌工作壽命。通過衛星在軌操作可以大大降低航天器全壽命周期費用，具有顯著的經濟效益。根據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。替換衛星的成本更是高達300億～360億美元。如果能夠通過在軌加注系統為衛星補充燃料，充分延長使用壽命，可以節省大量成本。

維維衛星公司的任務擴展飛行器（MEV）為地球同步軌道衛星提供在軌延壽服務

三、國外總體上采取漸進式思路發展衛星在軌操作系統。

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

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

用于清除空間碎片的電動碎片清除裝置

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在軌發射

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

高超聲速飛機使用波音現有的代號為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年測試過的發動機。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）的速度釋放衛星。

系繩系統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構。系繩的質心位于距控制站90千米、距抓捕端510千米的位置。系繩系統的質心的運行軌道為遠地點700千米、近地點610千米的橢圓軌道。系繩系統的端部以每秒3.5千米的速度繞質心轉動。系繩系統的軌道運行周期為98分鐘，系繩圍繞質心的擺動周期為16分鐘。根據載荷發射的需求，系繩可以通過使用電力系繩推進和系繩長度調節泵調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劑。系繩系統的端部抓捕機構抓住高超聲速飛機上的有效載荷并將其與有效載荷分離，在設定的高度釋放載荷進入預定軌道。