國外在軌服務系統最新發展（上）

王雪瑤 （北京空間科技信息研究所）

國外在軌服務系統最新發展（上）

Development of Foreign On-orbit Service Systems (Ⅰ)

王雪瑤 （北京空間科技信息研究所）

近年各國持續推進在軌服務系統的項目研究，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幾個方面。其中，美國重點關注在軌裝配、在軌燃料加注任務與相關技術，歐洲重點關注低地球軌道（LEO）碎片移除任務與相關技術，日本、德國等依托自身先進的機械臂技術開展在軌服務項目。從現有發展規劃來看，目前在軌服務系統的發展還處于初級階段，各系統將在2020年前后實現在軌演示試驗。隨著航天技術的不斷發展，未來將會實現更多多功能業務型的在軌服務，航天資產也將向在軌可建造、在軌可擴展、在軌可重構的方向發展。因此，在軌服務系統將是未來航天發展的一個重要方向。

1 輔助變軌

輔助變軌航天器可以幫助各類目標航天器進行軌道轉移，可用于低地球軌道轉移至地球靜止軌道（GEO）等的輔助變軌任務，也可用于深空軌道轉移的輔助變軌任務。近年美國主要以研究深空輔助變軌試驗項目為主。

“太陽能電推進器”拖船

“太陽能電推進器”（SEP）拖船是2011年美國國家航空航天局（NASA）提出的以輔助變軌為目的的在軌服務工程項目，重點是輔助大型深空探測器完成深空變軌任務，也可用于低地球軌道的輔助變軌任務。

美國國家航空航天局原計劃在2017年開啟首個“太陽能電推進器”拖船任務，即利用拖船將探月航天器運輸至環月軌道或地月拉格朗日點，完成6個月的探測任務，但目前并未實施，該任務可以驗證拖船的深空長時間機動能力，同時也可以驗證在出現問題時拖船快速返回地球的能力。美國同時計劃在2019年利用“太陽能電推進器”拖船開啟近地小行星探測任務，2020年利用拖船開啟3次火衛一探測任務，2025年利用拖船開啟3次火星探測任務，并在2033年利用拖船輔助火星探測器與航天員完成為期500天的載人火星表面停留任務。

“太陽能電推進器”拖船輔助探火任務示意圖

“太陽能電推進器”主要利用先進的太陽能帆板和高效的霍爾推進器，推進器比沖是常規化學推進系統的10倍，可以達到3000s，能夠為大型深空探測器提供高效的推力，使其順利進入目標位置。美國國家航空航天局計劃研制300kW和600kW兩種推進功率的拖船，其中300kW拖船將輔助完成探月及小行星探測任務，600kW拖船將輔助完成火星探測及火星衛星探測任務。

“軌道機動運載器”

為提高在軌部署的靈活性，近年美國穆格公司（Moog）研發“軌道機動運載器”（OMV）作為小衛星的低成本發射設備，為小衛星提供共享發射機會，能夠輔助小衛星搭載發射至目標軌道，完成優化部署小衛星星座等多項任務。現該項目已完成低軌任務“軌道機動運載器”的內部設計評審，計劃在2018年底發射低軌“軌道機動運載器”。

“軌道機動運載器”采用“演進型一次性運載火箭次級有效載荷適配器”（ESPA）作為基礎架構，在此基礎上新增加高適應性的推進結構、先進靈活的航電結構、模塊化的電源系統等提供推力，也可根據具體任務進行擴展升級。低軌任務“軌道機動運載器”可共計產生340m/s速度增量，有效載荷運載能力為1500kg。未來深空任務“軌道機動運載器”將采用結構更大、更堅固的ESPA環，并采用肼和四氧化二氮雙組元推進系統，可共計產生1690m/s速度增量，有效載荷運載能力為500kg。

低軌任務“軌道機動運載器”示意圖

2 碎片移除

目前空間碎片的形勢相當嚴峻，空間碎片數量龐大，空間碰撞概率大大增加，空間環境更加惡劣，軌道資源越來越稀缺，需要在軌服務系統對失效衛星和空間碎片等進行離軌、移除等處理。

“歐洲離軌”任務

“歐洲離軌”（e.Deorbit）任務是2012年歐洲航天局（ESA）提出的移除低軌大型空間碎片的工程項目，驗證低軌碎片移除技術。“歐洲離軌”任務航天器計劃于2023年發射，將成為世界首例主動碎片移除任務，也將使歐洲航天局成為空間碎片移除領域的全球領軍者。

“歐洲離軌”任務的主要目標是使用航天器捕獲800～1000km近極地軌道/太陽同步軌道（SSO）上的屬于歐洲航天局的非合作大型空間碎片（主要是4t以上的衛星或上面級），并將其快速移至地球大氣層燃燒消除。經過長時間的論證工作，2016年7月，歐洲航天局將離軌目標選定為現已失效的“歐洲環境衛星”（Envisat）。這顆衛星是歐洲最大的民用對地觀測衛星，于2001年發射入軌，在軌尺寸為26m×10m×5m，質量8211kg。該衛星在2012年失效且不停旋轉，每年將會與2個編目目標距離達200m內，很可能引發碰撞，根據衛星的運行軌道與面質比計算，預計其將繼續在軌停留150年。因為這顆衛星危險性大，所以歐洲航天局選取該星作為離軌目標驗證主動碎片移除技術。

該任務需要解決三項挑戰，一是識別、接近旋轉目標，并與之同步運動；二是安全捕獲旋轉目標；三是將旋轉目標安全離軌。航天器在軌捕獲技術是該項目的關鍵技術，此前歐洲航天局論證了“機械臂捕獲”、“魚叉捕獲”、“繩系捕獲”和“抓捕網捕獲”四個任務方案。但因目標質量較大，又失控旋轉，其他方式捕獲不適合，最終歐洲航天局選取波蘭SKA Polska公司設計的1300kg抓捕網作為目標抓捕機構，抓捕網需要在真空微重力環境下抓捕失控旋轉目標。

“德國在軌服務” 任務

“德國在軌服務”任務（DEOS）是2007年德國航空航天中心（DLR）在“空間系統演示驗證技術衛星”（TECSAS）項目（2006年終止）的基礎上，重新定位任務目標，提出的后續自主處理故障衛星技術演示項目。目前，該項目已在地面和“國際空間站”（ISS）進行了多項接近、對接抓捕等模擬仿真試驗，德國航空航天中心計劃在2018年進行在軌試驗。

德國航空航天中心研制在軌服務與維護系統的時間較長，具有豐富的空間機械臂研究經驗，曾開展“哥倫比亞”航天飛機ROTEX機械臂項目、試驗服務衛星項目、“空間系統演示驗證技術衛星”項目等。“德國在軌服務”項目采用了德國航空航天中心多年的空間機械臂研制試驗經驗。

“德國在軌服務”任務示意圖

“德國在軌服務”項目系統包括服務衛星與客戶衛星兩部分，服務衛星能夠利用專用的抓捕機構捕獲滾轉的非合作客戶衛星，其中服務衛星尺寸2.6m×1.7m×1.8m，質量732kg，客戶衛星尺寸1.9m×1.3m×1.3m，質量268kg。“德國在軌服務”任務包括發射與早期入軌、在軌測試、在軌操作和離軌再入4個標準運行階段。在發射與早期入軌階段，服務衛星與客戶衛星剛性連接，一同發射至高550km、傾角85°～90°的初始圓軌道。剛性連接組合體發射入軌后，經在軌測試后進入在軌操作階段，服務衛星在安全位置釋放客戶衛星并遠離客戶衛星，隨后，服務衛星通過定向導航指引機動至客戶衛星附近，與客戶衛星實現相對停泊。在相對停泊期間，服務衛星利用機械臂抓捕翻滾的客戶衛星再次形成組合體。最后，該組合體將離軌至再入走廊，隨后受控再入至大氣層燒毀。

太空清理-1

太空清理-1（CSO-1）項目是瑞士2012年正式啟動的在軌碎片移除試驗項目，最初由瑞士航天局（SSO）負責，2014年移交至洛桑聯邦理工學院航天工程中心（ESpace）。該項目旨在離軌“瑞士立方體小衛星”（SwissCube），演示小衛星主動碎片移除技術。現階段已完成太空清理-1捕獲系統的原型樣機，下一階段將研制開發工程機，將在2018年之后發射。

“瑞士立方體小衛星”是1U立方體衛星，尺寸為100mm×100mm×113.5mm，運行在高720km、傾角98.4°的太陽同步軌道上，質量約820g，數據下行鏈路與上行鏈路天線長度分別為180mm和610mm。因為“瑞士立方體小衛星”尺寸很小，難以探測，且高速翻滾，最大旋轉角速度可達50°/s。所以在該項目中，服務航天器既要解決缺少非合作目標位置信息、難以探測的問題，又要解決目標高速旋轉的問題。為解決第一項挑戰，太空清理-1攜帶高效的計算機視覺系統，可計算太陽的角度、目標的尺寸、目標的移動速度，以及太空清理-1自身的旋轉速度等，能對目標進行跟蹤與近距離操作。為解決第二項挑戰，洛桑聯邦理工學院航天工程中心需要針對高速旋轉的目標設計最有效的捕獲系統。太空清理-1設計人員最終選取抓捕可靠性更高的PacMan設計方案，該方案由瑞士學生設計。一旦目標“瑞士立方體小衛星”進入太空清理-1的作用范圍內，服務衛星就會在目標衛星周圍展開圓錐體網，隨后閉合圓錐體網捕獲目標。

太空清理-1捕獲“瑞士立方體小衛星”示意圖

“空間碎片微型清除器”

“空間碎片微型清除器”（SDMR）是日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）正在研究的一種演示驗證空間碎片主動移除技術的微小衛星試驗項目，現已完成多項地面試驗和飛行試驗，計劃2020年開展在軌演示驗證試驗，隨后發展大型業務空間碎片清除系統。

“空間碎片微型清除器”將使用小衛星夾持機械臂抓捕空間目標碎片，并使用電動系繩將其離軌。具體任務過程為：首先，清除器與目標空間碎片自主交會，并測量其運行軌道。然后，清除器繞飛目標，確定捕獲的最佳路徑。隨后，清除器逼近目標并用夾持機械臂捕獲目標，之后，展開固定在機械臂上的電動系繩。最終，清除器自動調節電動系繩的傾角來控制推力，攜帶碎片離軌。

清除器要捕獲的目標通常是失控的碎片，機械臂無法直接抓取高速翻轉的目標碎片。為解決這一問題，日本擬采用電刷接觸器，在靠近碎片后，通過接觸磨擦碎片表面將其轉速減慢至靜止，以便于機械臂捕獲目標。日本在2010年就已完成電動系繩推進的在軌演示試驗，但在2016年底的電動系繩在軌部署試驗中卻遭遇失敗。

日本空間碎片清除系統三維概念示意圖

3 在軌燃料加注與延壽

在軌衛星資產不斷增加，而通常在衛星燃料壽命末期，天線、有效載荷等其他部件通常還可繼續使用，如果可以利用在軌服務器進行在軌補加，或為目標衛星提供動力系統，則可以相應延長衛星的壽命，獲得更大的經濟利益。

復原-L在軌補加任務

復原-L（Restore-L）在軌補加任務是2014年美國國家航空航天局衛星服務能力辦公室（SSCO）啟動的試驗項目，旨在驗證對低地球軌道合作與非合作目標的在軌燃料加注技術。目前，復原-L任務已在2017年8月完成初步設計評審（PDR）。復原-L預計在2020年發射，如果該任務成功，則將成為世界首例低地球軌道在軌燃料加注任務。在整個任務期間，復原-L將對目標衛星進行交會、抓捕、燃料加注與重新定位等服務。

復原-L可為目標衛星儲存并提供燃料，其特有系統是燃料運輸系統，能夠對目標衛星進行長時間、多任務的燃料補給，該系統由氧化劑貯箱、低密封泵、流量計量器、燃料運輸管道等組成，其中低密封泵能夠在高壓下傳送氧化劑，流量計量器能夠保證燃料轉移系統定量、準確地傳輸推進劑。美國國防高級研究計劃局（DARPA）的“前端機器人操作演示驗證任務”（FREND）機械臂也是復原-L有效載荷的一部分，能夠執行抓捕目標衛星等操作。此外，復原-L自主遙操作需要使用S頻段低數據率下行鏈路和高數據率上行鏈路，視頻與遙操作需要使用Ka頻段高數據率上、下行鏈路。

按照計劃，復原-L將發射至極地低軌道，目標衛星已選定為美國政府的陸地衛星-7（Landsat-7）。復原-L任務的具體過程為：復原-L成功入軌后進行約53天的在軌測試，測試完成后通過15天機動轉移至目標陸地衛星-7附近，隨后與目標衛星進行為期4天的自主交會對接和4天的在軌服務，具體服務操作包括切割覆蓋物、切割燃料輸送管、移除閥帽、在軌加注和還原覆蓋物等。復原-L在完成在軌服務任務后，需要17天離軌至任務后處理軌道，最后2天完成銷毀操作。整個任務過程計劃需要92天時間，同時需要地面站、GPS衛星、中繼衛星、遙操作等技術先進設備支持整個任務過程。

復原-L近距離在軌服務示意圖

“無人延壽飛行器”任務示意圖

“無人延壽飛行器”

“無人延壽飛行器”（MEV）是2011年美國維維衛星公司（ViviSat）提出的地球靜止軌道衛星延壽項目，美國維維衛星公司由美國航天公司（US Space）與軌道-ATK公司（Orbital ATK）共同建立。“無人延壽飛行器”將采用軌道-ATK公司的GEOStar3平臺與“天鵝座”（Cygnus）交會對接技術，具有靈活性高、可升級性好及風險低等特點，能保證空間資產的可持續利用。2016年，該項目轉移至軌道-ATK公司的全資子公司—空間物流公司（Space Logistics）負責，并與國際通信衛星公司（INTELSAT）簽訂首個為期5年的“無人延壽飛行器”合同。

按計劃，空間物流公司至少發射5個“無人延壽飛行器”，將在2018年發射首個，2019年和2020年各發射2個。“無人延壽飛行器”的設計壽命是15～20年，將執行3～4次延壽任務，每次任務時間為1～5年。為確保安全，首個“無人延壽飛行器”入軌后首先會進入墳墓軌道與失效衛星連接進行在軌測試，隨后進入地球靜止軌道對業務衛星進行在軌服務。“無人延壽飛行器”使用簡單的機械對接系統與客戶衛星的遠地點發動機進行對接，這一系統適用于目前80%的地球靜止軌道衛星。與目標衛星對接成功后，“無人延壽飛行器”將根據需求對組合器進行姿態與軌道保持管理。完成服務后，“無人延壽飛行器”與目標衛星分離，轉移至下一個客戶衛星進行服務，其交會對接系統可重復利用，對多個目標進行服務。

除在軌延壽服務外，“無人延壽飛行器”還將實現轉移目標位置或改變目標軌道傾角的重定位功能。未來，“無人延壽飛行器”還將逐步增加在軌維修與在軌裝配等功能，也可能增加機械臂等抓捕結構。（未完待續）