國外在軌服務系統最新發展（下）

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（下）

王雪瑤 （北京空間科技信息研究所）

Development of Foreign On-orbit Service Systems (Ⅱ)

（上接本刊2017年第10期）

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。

4 在軌裝配

在軌裝配可為深空探測和大型近地任務組裝大型航天器。受到目前運載技術的限制，現在僅能發射較小尺寸的航天器或相應部件。因此，亟待進一步開發在軌裝配技術，通過分批次發射航天器部件入軌，利用先進的測量導航、交會對接、先進機械臂等技術，在軌裝配規模更大、結構更靈活和功能更強大的航天器系統。

“鳳凰”計劃

“鳳凰”（Phoenix）計劃是2012年美國國防高級研究計劃局（DARPA）啟動的一項在軌服務演示驗證項目，旨在重新利用失效退役的地球靜止軌道（GEO）衛星的有價值部件組建新型航天器，是在軌服務技術從低軌發展至高軌的標志。

“鳳凰”計劃主要由“有效載荷軌道交付系統”（PODS）、“軌道服務器”（Tender）及“細胞星”（Satlets）三部分組成，計劃演示驗證從報廢衛星上摘取并利用零部件（天線等）的技術，其方案是從一顆退役衛星上“剝離”大型天線，并將其與小衛星在軌組裝成新的地球靜止軌道衛星。“鳳凰”計劃具體任務過程：將裝有“細胞星”的“有效載荷軌道交付系統”搭載發射至目標地球靜止軌道后彈射入軌，在軌運行的“軌道服務器”隨后交會并抓捕“有效載荷軌道交付系統”。然后，“軌道服務器”轉移至地球靜止軌道上方的“墳墓軌道”交會捕獲失效衛星。“軌道服務器”利用機械臂將“細胞星”安裝到天線上，并對其進行激活在軌測試。若“細胞星”被成功激活，與天線的組合體能夠正常工作，“軌道服務器”將再次利用機械臂將天線與失效衛星切割分離。最后，“軌道服務器”將“細胞星”和天線的組合體轉移至地球靜止軌道工作位置開始工作。

因為“鳳凰”計劃目標太復雜，近年又衍生出驗證機械臂技術的“地球同步軌道衛星機器人服務”（RSGS）項目與驗證在軌自主裝配天線的“蜻蜓”（Dragonfly）項目。目前，“鳳凰”計劃僅完成了“細胞星”的初始任務驗證試驗，并公布了“有效載荷軌道交付系統”的接口要求。2016年，美國國防高級研究計劃局公布了“有效載荷軌道交付系統”的標準尺寸為3.3cm×4.1cm×5.6cm，質量約68～100kg，符合上述接口標準的“有效載荷軌道交付系統”可更快捷地連接到商業宿主衛星上，并在適當的位置完成在軌釋放，同時也可利用商業發射頻率來降低發射成本。

從美國國防部預算文件來看，“鳳凰”計劃在2017年發射其“有效載荷軌道交付系統”并完成在軌測試，“軌道服務器”的機械臂劃歸“鳳凰”計劃衍生的新項目“地球同步軌道衛星機器人服務”進行研制試驗，諾瓦克公司還將完成集成“細胞星”的首個低地球軌道（LEO）在軌試驗—細胞集成技術試驗（eXCITe），將由12顆“高度集成衛星”（HISat）組成的集成衛星發射至720km×450km的近太陽同步軌道，試驗“高度集成衛星”以及與其有效載荷之間的接口，并驗證飛行環境下關鍵“細胞星”的功能。目前來看，上述計劃均有所推遲。2017年10月，“國際空間站”（ISS）航天員成功完成“高度集成衛星”的在軌組裝與釋放任務。

細胞集成技術試驗中組合“細胞星”示意圖

“蜻蜓”項目

“蜻蜓”（Dragonfly）是“鳳凰”計劃在2015年的衍生項目之一，歸屬美國國家航空航天局（NASA）“新興空間能力轉折點”（‘Tipping Point’ ESC）系列專題。“蜻蜓”項目將在軌組裝與重構大型固體射頻反射器，演示自主天線在軌裝配技術，改變現有衛星的裝配模式。“蜻蜓”項目計劃在2020年后完成在軌飛行演示驗證。

2015年8月，美國國防高級研究計劃局將為期5個月價值25萬美元的研究合同授予勞拉空間系統公司，用以研究證明衛星在軌組裝方案，在降低衛星成本與質量的基礎上，提高衛星的性能。2016年初，勞拉空間系統公司完成該方案的可行性論證。目前，“蜻蜓”項目處于為期2年的地面演示階段，并未公布技術細節。2016年7月，勞拉空間系統公司又獲得美國國防高級研究計劃局價值2000萬美元的合同，用于研制“地球同步軌道衛星自主服務”項目的機械臂，其中包括為“蜻蜓”研制2個機械臂。2017年8月，“蜻蜓”項目成功完成地面演示試驗，使用3.5m機械臂系統為地面模擬衛星裝配大型天線反射器。

“蜻蜓”項目由美國國家航空航天局蘭利研究中心和3個商業公司負責，其中勞拉空間系統公司負責項目管理與系統工程，麥德公司負責機器人演示和機器人控制，繩系無限公司負責增材制造，美國國家航空航天局蘭利研究中心負責設計在軌裝配技術與設備。

“蜘蛛制造”項目

“蜘蛛制造”（SpiderFab）是2012年美國繩系無限公司提出并由美國國家航空航天局創新先進概念項目資助的一項概念研究項目，將研究空間在軌制造系統的概念，未來將實現利用3D打印等技術在軌自主制造超大型空間結構和多功能空間系統組件，同時利用“蜘蛛機器人”（SpiderFab Bot）在軌集成大型空間結構，克服運載火箭的發射限制，改變航天器的研制與部署方式。“蜘蛛制造”計劃在2022年完成在軌飛行演示試驗，2024年實現在軌自主裝配。

“蜻蜓”在軌自主裝配天線示意圖

“蜘蛛機器人”在軌“織網”示意圖

“蜘蛛機器人”系統使用類似蜘蛛織網的方式在軌建造大型空間結構。該項目首先需要發射具有在軌制造能力的“衛星繭”（Satellite Chrysalis）入軌，“衛星繭”內包含增材制造原料、桁架單元及指令程序等，入軌后可通過在軌制造與自主裝配建造出千米級的大型空間系統。客戶可根據自身需求設計衛星，并用3D打印技術建造系統結構，用增材制造與自動化組裝技術制造天線、光學儀器等衛星分系統組件，同時進行衛星的在軌集成裝配。最后，根據任務需要在低地球軌道上部署組裝衛星。

“蜘蛛制造”計劃第一階段是利用增材制造與自主裝配技術開發系統結構，設計能制造航天器部件的移動機器人系統和能夠組裝大型太陽電池陣的有效載荷。計劃第二階段將開發關鍵技術，使系統結構更成熟，進行相應的真空試驗與性能評估，以適應未來的飛行演示試驗。

“建筑師”項目

“建筑師”（Archinaut）是2015年美國國家航空航天局資助諾斯羅普-格魯曼等商業公司開發的技術平臺，又名“多功能空間機器人精密制造與裝配系統”，可在軌自主制造并組裝航天器系統。該項目也歸屬美國國家航空航天局“新興空間能力轉折點”系列專題，主要研究“國際空間站”外空間環境中的增材制造技術，演示預制組件的在軌組裝技術。“建筑師”將利用已在“國際空間站”驗證的3D打印技術和2016年3月發射的“增材制造設備”（AMF）進行在軌制造。“建筑師”包括3D打印增材制造器和機械臂，前者用于制造并擴展系統結構，后者用于定位和在軌裝配操作。“建筑師”計劃安裝在空間站艙外，能夠進行在軌增材制造、通信衛星反射器制造與裝配，以及在軌機械維修等任務。

未來，“建筑師”將發展成為三臂結構的在軌制造機器人系統，可在太空中自主機動，并能將自身附著在航天器上，可通過增加或移除外部組件進行維修升級，還可從退役航天器上移除并重新使用部件，甚至可清理空間碎片。

“建筑師”在軌自主制造組裝示意圖

望遠鏡分離部件編隊飛行構型

“機器人裝配模塊化空間望遠鏡”

“機器人組裝模塊化空間望遠鏡”（RAMST）是2016年7月美國美國國家航空航天局噴氣推進實驗室（JPL）、美國國家航空航天局戈達德航天飛行中心（GSFC）和加州大學等聯合在《天文望遠鏡儀器與系統》雜志中提出的超大型太空望遠鏡設計的新理念，即利用機器人在軌組裝百米級空間望遠鏡，組合體將轉移至日地拉格朗日2點進行編隊飛行，執行天文觀測任務，能為未來大型太空結構的在軌裝配任務奠定基礎。

“機器人裝配模塊化太空望遠鏡”由一個100m球面主鏡、光學器件與設備單元（OIU）、測量單元和遮光罩組成，并以主鏡為中心進行編隊飛行，在日地拉格朗日2點執行預定的天文觀測任務操作。編隊飛行構型保證了望遠鏡的尺寸擴展，提高其光學性能。

“機器人裝配模塊化太空望遠鏡”在軌裝配任務流程：首先，將在軌裝配機器人、中心主鏡模塊、測量單元與首批桁架部署單元（DTM）通過“一箭多星”的方式共同發射入軌，隨后機器人在測量單元的幫助下，圍繞中心主鏡模塊環形制造桁架支撐結構；第二，發射剩余的桁架部署單元與主鏡反射鏡單元，與主鏡進行交會對接后，將反射鏡單元部署在支撐結構外部；第三，發射光學器件與設備單元、遮光罩等，與主鏡對接形成完整的“機器人裝配模塊化太空望遠鏡”系統組合體；最后，整個組合體系統向日地拉格朗日2點轉移，到達目的地后，系統在軌分離釋放形成編隊飛行的工作布局，執行天文觀測工作。

“地球同步軌道衛星機器人服務”項目預期實現的在軌項目示意圖

5 在軌維修與升級

空間資產多，作用大，經濟價值高，但故障也很常見。目前，如果衛星出現故障或衛星部件的技術落后時，一般只能重新發射備份衛星進行替換，但替換周期長，成本也非常昂貴。如果衛星可以進行在軌維修和在軌升級，使空間系統可重構，那么既能降低經濟損失，又能增加空間基礎設施彈性。

“地球同步軌道衛星機器人服務”是“鳳凰”計劃在2015年的衍生項目，旨在為“鳳凰”驗證機械臂技術。2016年5月，美國國防高級研究計劃局正式啟動該項目，研制能夠執行在軌檢查、維修、重定位和升級等多項在軌服務任務的“自主服務航天器”（RSV）。“自主服務航天器”計劃在2021年發射，完成6～9個月的在軌演示任務，隨后為商業和政府客戶衛星提供有償的商業在軌服務。

“自主服務航天器”的在軌服務演示任務主要包括：與非合作客戶衛星進行自主交會，演示空間機械臂抓捕客戶衛星的螺栓配件等連接機構；對客戶衛星進行重定位，演示軌道轉移機動過程中組合體的穩定控制；在不同距離檢查或詳查客戶衛星等。“自主服務航天器”商業在軌服務任務包括：檢查診斷合作客戶衛星的功能異常，維修太陽電池陣和天線展開故障等機械異常，協助客戶衛星重定位至新工作位置或進入“墳墓軌道”，升級合作客戶衛星的軟件并為其提供新功能。