美國在“國際空間站”上的技術開發與驗證應用研究

張蕊 （北京空間科技信息研究所）

美國在“國際空間站”上的技術開發與驗證應用研究

Study on U.S. Technology Development and Verification Application on International Space Station

張蕊 （北京空間科技信息研究所）

作為全球最大的在軌航天器，“國際空間站”（lSS）已實現連續有人駐留超過15年，并在空間應用領域取得了眾多成果。“國際空間站”成員國一致認為，最大限度地提高“國際空間站”研究能力可能帶來新的探索機遇、促進商業發展并對教育事業產生積極影響。“國際空間站”已在人體學研究、生物學與生物技術、物理科學、技術開發與驗證、地球與空間科學、教育等六大領域發揮了重要作用，技術開發領域的應用是其重點。由于美國對“國際空間站”應用的組織管理、項目規劃和實施最為系統，因此本文以美國為主，介紹應用情況。

1 概述

盡管各國航天機構對于“國際空間站”應用目標的側重點不同，但各國在一些重要的全局性目標上是一致的。首先，“國際空間站”作為一個教育平臺，鼓勵、激勵、推動年輕一代從事數學、科學和工程領域的工作。其次，提高人們在人體生理學、生物學、材料和物理科學方面的認識，并將這些認識轉化成對健康、經濟和環境有益的成果。最后，在“國際空間站”上開展的人體學研究、輻射、材料科學和工程領域的應用可應用于未來低地球軌道以遠的載人探索任務中。從“國際空間站”的應用目標可以看出，技術開發領域的應用是其重點。技術開發與驗證領域的應用管理遵循“國際空間站”總體應用管理。

目前，針對美國國家航空航天局（NASA）、國家實驗室和國際合作開展的研究，美國采取由國家航空航天局總部載人探索和運行任務部指導，由位于約翰遜航天中心的“國際空間站”計劃辦公室和位于肯尼迪航天中心的空間科學促進中心分別管理，由美國國家航空航天局相關領域中心、非盈利組織和各國航天合作機構分別實施項目管理的管理結構。

當前，“國際空間站”研究任務和項目的實施經歷五個步驟：獲得研究資助、戰略規劃、戰術規劃、實施階段和飛行后運行。其中，美國負責管理的“國際空間站”上的有效載荷，按照經費來源可以分為三類：第一類是美國國家航空航天局支持的研究項目；第二類是美國國家實驗室支持的研究項目，包括美國商業部門、非盈利機構以及其他美國政府部門，如國防部、國家衛生研究院等；第三類是與“國際空間站”成員國聯合支持的研究項目。

“國際空間站”應用主要集中在6個領域，分別是技術開發與驗證、物理科學、人體研究、教育活動與推廣、地球與空間科學以及生物學與生物技術。此外，“國際空間站”還提供了商業應用機會。在技術開發與驗證領域，“國際空間站”為未來低地球軌道以遠的探索活動和新技術開發提供了一個獨一無二的在軌試驗機會。這一學科涵蓋了技術發展的許多應用，包括環境監測，通信，微重力環境特征，微衛星、納米衛星和皮衛星，航天器系統和機器人技術，重點領域包括航天器材料和系統、“國際空間站”上微重力環境的特性及其控制等。

2 技術開發與驗證應用領域規劃及效益

應用目標

在技術開發與驗證應用領域，將驗證先進探索能力作為重要的應用目標。當前，“國際空間站”作為一個試驗平臺驗證操作技術和能力，驗證用于改進空間科學能力和低地球軌道以遠載人和機器人探索的技術和先進系統。

目前，美國國家航空航天局正在“國際空間站”上開展“機器人燃料加注任務”（RRM）、“空間通信與導航”（SCaN）試驗臺、3D打印等多項技術試驗。“國際空間站”延壽計劃的提出，一方面將鞏固美國在載人航天領域的領導地位，保持以美國為核心的國際合作伙伴關系，并在更廣泛的領域促成美國的全球領導力；另一方面，實現“國際空間站”全面應用、價值最大化的目標；此外，還將推動商業航天進一步發展。

應用規劃

“國際空間站”是目前在用的唯一長期在軌試驗平臺，可用于驗證先進技術和運行概念。通過與探索團體的密切合作，“國際空間站”上開展的技術試驗項目可支持未來的探索活動。美國國家航空航天局已經確定“國際空間站”能夠支持的11個探索技術方向：空間推進，乘員健康、生命保障與居住系統，空間電源與能源，機器人、遙機器人與自主系統，通信與導航，探索目的地系統，科學儀器，進入、下降與著陸系統，材料結構、機械系統與制造，熱管理系統，運行流程與程序。

對于上述技術驗證方向，梳理出空氣—氧氣、空氣—二氧化碳、水、廢棄物、環境監制、火災/防護、輻射、乘員健康與性能、發電、能源存儲、傳感與感知、移動與操控、人體系統/自主性、自主交會對接、通信/網絡互聯、定位、導航與授時、飛行乘員模擬、自主任務操縱、低溫系統、熱控系統、熱防護系統、儀器與認知、氣動輔助與進入、電推進、可支持性與可維護性、先進居住系統、遙感與敏感器、觀測臺、材料與機械系統、結構等領域，從在軌、近期、規劃三個方面進行分類，梳理已經開展、即將開展和計劃開展的技術驗證項目。

應用方向及重點項目

圍繞支撐低地球軌道探索活動這一主要目標，“國際空間站”正在開展一系列技術開發項目，包括21個應用方向，按照應用類別可將這些應用方向分為8類。

這里重點介紹當前“國際空間站”開展且應用相對廣泛的幾類技術開發計劃。

（1）衛星在軌服務

美國國家航空航天局衛星服務能力辦公室（SSCO）負責美國國家航空航天局在軌服務技術與能力的總體管理、協調與實施。為實現上述目標，正在開展以下工作：研究概念任務的設計要點，建造在軌試驗的硬件和軟件，管理技術開發活動和服務任務。目前，正在利用“國際空間站”驗證衛星在軌服務所必須的技術，支持載人探索和科學發現。

技術方向

2016年底，美國國家航空航天局將衛星服務能力辦公室升級為包含3個專門辦公室與2個專業項目的衛星服務項目部（SSPD），其中“衛星服務支持技術”（SSET）辦公室負責在軌自主服務的關鍵技術開發，“衛星服務先進概念”（SSAC）辦公室負責開發滿足在軌服務需求的創新型方案，“國際空間站有效載荷辦公室”（IPO）負責管理“國際空間站”所有在軌服務的硬件開發。同時，項目部還負責復元-L（Restore-L）“在軌燃料加注與維修”、“小行星重定向”兩個專業項目。過去，衛星服務能力辦公室是有人在軌服務和機器人多軌道在軌服務之間的重要橋梁，其業務能力也快速延伸發展。隨著任務需求的增加，美國國家航空航天局以其任務技術為基礎，將單一辦公室升級為多任務并行的專業項目部，能夠更有效協調美國國家航空航天局各個在軌服務任務，更有利地執行針對性技術研發，同時為未來在軌組裝大口徑望遠鏡和空間探測任務等儲備技術基礎。

目前“國際空間站”上支持衛星在軌服務試驗的技術載荷有多種，這里重點介紹兩類技術。

1）“烏鴉”（Raven）。它是“國際空間站”系統級的技術驗證模塊，應用于合作與非合作目標的相對導航。該技術主要特點包括：①兩軸框架提供敏感器指向；②相對導航敏感器提供三個波段的跟蹤—可見光、紅外線和激光雷達；③先進姿態算法提供到訪航天器相對每個敏感器的位置和姿態測量；④高性能電子設備提供高效、可靠和可重構的計算環境；⑤基于所有敏感器的數據，導航算法提供位置、速度、姿態、速率相對狀態的最佳評估；⑥2年的任務進行超過60次相對導航跟蹤試驗（交會和分離）。

2）“機器人燃料補給任務”（RRM）。它是一項正在進行的、用于試驗和改進與機器人維修相關的工具和技術的“國際空間站”載荷。“機器人燃料補給任務”是一個1.1m×1.1m×0.8m的模塊，包括4個機器人維修工具，若干個工具適配器，1個流體轉移系統，多個任務板、閥門，以及現役衛星上發現的有代表性的航天器敷層。

不同于傳統的機器人燃料補給任務，美國國家航空航天局的“機器人燃料補給任務”可比其他能夠進行衛星燃料補給的空間機器人驗證更多任務。“機器人燃料補給任務”將驗證機器人是如何為衛星進行低溫推進劑補給的，這類現役、在軌衛星在最初任務設計中沒有考慮到在軌服務。衛星服務能力辦公室正在規劃第三階段“機器人燃料補給任務”（RRM3），將驗證氙氣在“國際空間站”外部平臺上的傳送。該驗證將通過機械配置閥傳送高壓、超臨界氣體，該裝置設計用于支持合作機器人在未來航天器上的移動。這些技術的成功驗證將為未來更大體積的應用奠定基礎。

美國國家航空航天局“機器人燃料補給任務”

加拿大機械臂

日本實驗艙軌道部署器正在部署小衛星

（2）機器人技術

“國際空間站”上的航天員承擔的任務大多依靠人和機器人系統的協同：一方面乘員使用艙內活動和艙外活動機器人開展任務，另一方面航天器上和地面任務控制中心的自主系統也在提供支持。“國際空間站”上現有的若干空間機器人系統代表著該技術領域的當前最高水平，包括加拿大和美國國家航空航天局聯合研制的“移動服務系統”（MSS）、歐洲航天局（ESA）和俄羅斯聯邦航天局（Roskosmos）合作研制的“歐洲機械臂”（ERA）、“日本實驗艙機械臂系統”（JEM-RMS）等，這3種系統均可抓取、轉移、釋放多種有效載荷，也可轉移艙外活動航天員并用作其工作平臺。

此外，美國國家航空航天局最新研制并發射的第二代人形機器人航天員（R-2）于2011年進駐站上，采用當時最先進的控制、傳感和視覺技術，具備與人類相近的操縱能力，其機械手和前臂的設計近似實現了人手功能，主要用于驗證類人形機器人技術及應用，探索零重力下的靈巧操作，測試人類-機器人安全系統，以輔助人類乘員執行未來的探索任務。

（3）小衛星釋放

當前，“國際空間站”提供了一個獨特的平臺在低地球軌道部署小衛星。目前主要通過日本希望號（Kibo）氣閘艙內的機械臂完成小衛星部署，該小型氣閘艙可用于立方體衛星在低地球軌道的部署。“國際空間站”逐漸成為“天基發射場”，豐富了微納衛星發射手段，實現了衛星在軌批量儲備、按需發射和及時補網，同時低成本也使得更多小運營商擁有利用空間的機會。2016年5月，日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）與菲律賓聯合研制的迪瓦塔-1（DIWATA-1）微衛星成功釋放，這是日本宇宙航空研究開發機構首次從“國際空間站”的希望號實驗艙上部署50千克級微衛星。

（4）在軌制造技術

在軌制造的目標為：開發并促成用于探索任務（飛行中和在星體表面）急需的、可持續運營的制造技術和流程。這種在軌制造技術覆蓋領域廣泛，不僅僅指3D技術，還包括重復使用、打印的電子組件、可打印衛星和多材料3D打印等。目前，實現探索任務的在軌制造路線圖分3個階段：依賴地球、試驗場和脫離地球。

這個路線圖包括3個方面：基于地球、“國際空間站”和探索。其中，“國際空間站”技術驗證是架起技術開發與全面實施關鍵探索技術之間的關鍵橋梁。

NASA前局長參觀3D打印成果

在軌制造技術中，3D打印是其中的重點。3D打印技術可實現產品個性化、定制化生產，在成本、效率和產品質量方面優勢突出，是制造技術的一次重大飛躍。未來在外層空間，使用3D打印技術按需制造零部件，可逐步消除太空探索對地球的依賴，帶來顯著的經濟和社會效益。美國國家航空航天局于2014年8月借助美國太空探索技術公司（SpaceX）的貨運飛船把首套3D打印試驗設備送上“國際空間站”，以驗證零重力環境下的3D打印技術。該研究項目是美國國家航空航天局支持的多項“小企業創新研究計劃”（SBIR）中的1項重要計劃，研究規模雖然不大，但對實現“國際空間站”上所需物資的自給自足、提高任務執行的可靠性和安全性，以及降低成本具有重要意義。該研究項目由美國國家航空航天局馬歇爾空間飛行中心總體負責，太空制造公司作為主承包商負責零重力環境下3D打印機的設計與制造工作。

3 啟示

技術開發與驗證應用管理流程清晰

“國際空間站”上每個有效載荷硬件的研制時間各不相同，短則幾天，長則數年。美國國家航空航天局根據載荷開發的時間，針對不同階段的組織管理各有側重，分為發布研究公告階段、戰略規劃階段、戰術階段、實施階段、運行階段等五個階段。技術開發與驗證領域也是如此。這種工作要求和管理方法科學透明，規劃長遠，細節清晰，重點突出，確保了空間站上的科研工作從獲得資助、項目遴選直到研究計劃實施和總結等每個環節都得以高效落實。

技術開發與驗證應用領域目標明確

支持低地球軌道以遠的探索任務是技術開發與驗證應用領域的重要目標。當前，以美國為主的載人航天國家正在實施月球、小行星、拉格朗日點等多目的地探測策略，把火星作為可預見的終極目標。為實現上述目標，主要的載人航天國家謀劃實施路徑開發探索系統，充分利用空間站開展技術開發與驗證。

當前，驗證衛星在軌服務、發展機器人技術等成為應用重點。在軌服務技術方面，“國際空間站”運行至今接受了大量的在軌維護、模塊更換等操作，是驗證、發展在軌服務技術的極佳平臺。在機器人技術方面，在當前的低地球軌道載人探索中，很多任務都是人與機器人系統協同完成的。在未來的載人月球、火星和其他目的地的任務中，人類與機器人系統進一步協同探索的方式既是需要也是必然趨勢，應用范圍也將更加廣泛。

商業合作方式為技術開發與驗證應用帶來更大發展空間

當前，美國及“國際空間站”合作伙伴正在利用“國際空間站”開辟低地球軌道新市場，商業合作伙伴可以提供想法、流程和技術，營造一種更加友好的商業氛圍。這種方式可以鼓勵新的市場、技術開發并產生經濟效益，并為商業伙伴參與低地球軌道以遠的活動打下基礎。開展新型商業合作關系，使得空間站的運營從政府資助、承包商提供產品和服務的方式轉向商業供應、政府作為用戶的方式。在空間站應用開發上，已將“國際空間站”的美國艙段定位為國家實驗室，向美國國家航空航天局以外的其他政府機構、非營利機構和私營企業開放，通過空間科學促進中心管理國家實驗室。通過與商業公司簽署空間法案協議，達成合作協議。通過這種模式，私營公司開發了市場，建造了硬件，而美國納稅人提供了美國國家實驗室的基礎設施和基金。