在軌服務：反傳統航天之道而行之

文/ 張雪松

▲ 1993年在軌修復哈勃空間望遠鏡

▲ 和平號多艙式空間站

▲ 美國軍事軌道快車項目

傳統航天模式下，航天器追求高可靠性，為了實現長壽命從基礎的元器件開始精挑細選，力保設計壽命內不出問題。但是事實上，一些昂貴的在軌衛星，因為火箭半路拋錨、衛星軟件故障、惡劣的空間環境影響等因素，不能再提供服務的情況并不少見。隨著空間技術的飛速發展，在軌服務也越來越多受關注，成為航天企業的新寵。

在軌服務的概念

隨著空間技術的發展，航天器的組成結構和功能日益復雜，地面精工細作出佳作的傳統模式，雖然還能滿足航天發展對航天器持久穩定運行的需求，但在軌服務的概念也越來越多被重視。你能想象成千上萬的民航客機，只是耗盡了燃料就被遺棄么？而這居然是衛星的現實歸宿，在軌服務的概念，某種意義上說就是受此啟發和激勵的結果。

在軌服務，顧名思義就是在軌道上提供服務，通俗地說就是在軌道上組裝和維修航天器，從而降低航天器的綜合成本，提高航天器的性能。

在軌服務包括在軌延壽、機器人操作、發射后軌道修正服務、重新定軌業務、離軌服務等操作。通過在軌服務對航天器進行維護，可以有效的延長使用壽命。當航天器出現故障時，通過在軌服務進行修復，免去了地面重新發射的麻煩和高額費用；如果航天器用的技術過時了，在軌服務又能對它進行更新升級，延長壽命的同時還能增強性能。簡而言之，在軌服務的理念和傳統航天模式截然相反，更注重在地球軌道上解決問題。除此之外，在軌組裝也是在軌服務的重要分支，火箭的運載能力是有限的，而我們對航天器的要求與日俱增，對于大型或重型航天結構，在軌組裝就成了必不可少的工作。我們熟悉的多艙空間站，就是典型的在軌組裝。

在軌服務的歷史

在軌服務并非剛剛興起的新概念，如果將載人航天考慮進來，在軌服務已經有數十年的歷史了。

1973年5月美國發射了試驗空間站——天空實驗室，但土星五號火箭起飛后，遮陽罩和一個太陽翼被高速氣流沖掉，導致天空實驗室溫度劇升發生故障，隨后一艘阿波羅飛船對接天空實驗室，3名航天員在軌修理解決了溫控問題，讓它恢復正常。

禮炮7號空間站的挽救任務更為著名。1985年2月蘇聯禮炮7號空間站和地面失去聯系，同年6月6號聯盟T-13號飛船發射隨后成功對接“禮炮7號”，兩名航天員經過數天奮戰，解決了空間站電源短路等關鍵故障，讓“禮炮7號”從凍死狀態起死回生。“禮炮7號”和天空實驗室的故障，如果沒有航天員的在軌修復，它們都只能直接退役，造成巨大的資源浪費，在軌維修的價值可見一斑。

▲ 航天飛機捕獲的西聯-6號通訊衛星

▲ 聯盟T-13拯救禮炮7號空間站

航天飛機的出現，為在軌服務提供了更合適的平臺。1984年,美國挑戰者號航天飛機利用機械臂捕獲了SMM太陽探測器，并于次日修復了出故障的姿態控制系統，還更換了一些電子元件和碟形天線，這是航天飛機首次登上在軌維修的舞臺。1984年，美國發現號航天飛機捕獲了在軌轉移失敗的西聯-6號通信衛星并帶回地面，后來它被亞洲衛星公司買下命名為“亞洲一號”，1990年我國使用長征三號火箭成功發射了這顆衛星。航天飛機在軌維護，最著名的當屬哈勃空間望遠鏡的維護，正是航天飛機修好了“哈勃”的“近視眼”，讓它以30歲高齡仍活躍在空間天文舞臺上。

▲ 航天飛機SSM望遠鏡拯救任務

商業航天的熱門

2020年2月11日，美國NSR發布了《在軌服務與空間態勢感知市場報告（第三版）》。報告列出了在軌服務的五大市場，并且NSR在其報告的第一版就曾預測，在軌服務市場規模在未來10年間將達到30億美元。這讓其成為商業航天領域的熱門話題。商業公司關注的重點是利潤，他們瞄準了利潤豐厚的靜止衛星市場。普通的靜止軌道通信衛星價格貴壽命長，但也不時有出現故障的，更不要說燃料耗盡后好好的衛星就要壽終正寢了。

加拿大商業航天公司MDA和美國諾格創新系統公司都提出了在軌維護航天器概念，由于種種原因，MDA公司沒能拉到客戶，暫停了在軌服務計劃，但美國諾格創新系統公司繼續推動在軌服務計劃，誕生了任務延壽飛行器（MEV）。MEV衛星設計相當獨特，它以目標衛星的主發動機噴管為對接對象，而且并非在軌加注燃料，而是把本身當做目標通信衛星的服務艙，為它提供軌道維持能力。這樣另辟蹊徑的設計規避了困難的在軌加注問題，可謂獨具匠心。

商業公司還注意到軌道碎片的問題。在軌服務中還有一項服務就是軌道碎片的捕獲和清除。雖然看起來清除軌道碎片沒有直接經濟收益，但軌道碎片的數量和危害與日俱增，未來立法強制清除軌道碎片的可能性很大。目前多家商業航天公司瞄準軌道碎片清除業務，八仙過海各顯神通提出張網捕獲和電動系繩牽引等多種解決方案。這些方案未來如能投入使用，有望緩解軌道碎片加速增長的趨勢。

軍事航天的“新貴”

美軍國防高級研究計劃局（DARPA）提出并實踐了空間自主在軌服務試驗研究，主要包括實驗衛星系統（XSS）和軌道快車系統，為未來的軍用在軌服務驗證技術、積累經驗。

實驗衛星系統是模塊在軌服務概念（MOS）的產物，XSS-10和XSS-11兩種實驗星分別于2003和2005發射入軌，開展在軌服務實驗。XSS-10驗證了微小衛星緊密跟蹤目標衛星的能力，而XSS-11還增加了成像系統，觀測火箭末級和目標位性，并進行了自主交會和高精度伴飛實驗。

▲ 在軌修復的太空實驗室

▲ XSS-10

▲ XSS-11

軌道快車項目是美國DARPA牽頭，波音公司、貝爾公司、諾格公司以及MDA公司聯合實施的技術驗證項目。軌道快車于2007年3月發射升空，它實際上是兩顆衛星NextSat和ASTRO，發射成功后兩顆衛星分離，ASTRO自主交會并使用機械臂捕獲NextSat衛星，并為其加注燃料，還進行了更換組件操作，包括更換一塊備用電池。軌道快車試驗獲得成功，自主交會和非合作對接，小型機械臂和捕獲操作都得到了驗證。不過盡管它試驗了流體和零部件的傳輸，但這項技術還不成熟，需要進一步的研究試驗，其技術潛力相當可觀。“軌道快車”所驗證的各項技術，稍加改變就是反衛星作戰所需的太空擄星、共軌反衛星、衛星干擾等能力，具有廣闊的軍事前景。

軌道快車項目結束后，美國空軍以及DARPA又啟動后續項目，包括在軌檢查的MiTEx項目、具備在軌服務潛力的X-37B小型航天飛機，以及利用僵尸衛星的鳳凰計劃。鳳凰計劃借用鳳凰的重生能力，提出利用太空報廢衛星組裝新衛星的設想，尤其是利用靜止軌道通信衛星的天線等耐用的有價值部分，變廢為寶組裝為新衛星。鳳凰計劃對外宣傳使用驗證在軌組裝技術，不僅能提高本國衛星系統的抗毀和修復能力，削弱他國反衛星武器的威脅，同時也是肢解敵方衛星的殺手锏，其軍用價值將對美軍太空作戰產生深遠影響。