美國軌道工廠公司商業在軌加注服務現狀與發展

唐浩文 宋博 朱貴偉 （北京空間科技信息研究所）

美國軌道工廠公司（Orbit Fab）于2023年5月25日宣布，將通過“燃料庫”（fuel depot）有效載荷，在2025年為美國天軍（USSF）地球同步軌道（GEO）小衛星泰特拉-5（Tetra-5）提供商業在軌加注服務。“燃料庫”載荷將配備名為“快速連接燃料轉移接口”（RAFTI）的標準加注接口，為同樣配備RAFTI接口的客戶航天器泰特拉-5衛星在軌加注約50kg肼燃料。該任務標志著在軌加注技術正逐步邁向實用化、商業化。

在軌加注服務是指在太空中利用服務航天器為目標航天器（客戶航天器）進行氣、液推進劑補給的在軌操作，是未來在軌服務領域的重要組成部分。文章將梳理研究軌道工廠公司在軌加注服務發展情況，并提出幾點研究啟示。

1 軌道工廠公司在軌加注服務發展背景及動因

軌道工廠公司是成立于2018年的美國航天初創企業，專注于“太空加油站”（Gas Station in Space）業務，具體包括太空加注基礎設施建設和在軌燃料輸送兩部分。軌道工廠公司計劃建立一個太空加油站網絡，以支持現有太空業務（通信、對地觀測等）以及太空旅游、太空制造、太空資源利用等新興產業的蓬勃發展。軌道工廠公司除擁有位于美國科羅拉多州的總部外，還在英國設有辦事處，目前擁有員工總人數超過60人，估值超過1億美元。

在軌服務已成為美國國家頂層驅動的重大航天前沿領域

美國已明確把發展太空服務、組裝與制造（ISAM）納入國家戰略，于2022年4月公開發布國家戰略文件。ISAM能顯著提升航天器性能、壽命、靈活性，降低航天器開發、運行成本，提升應用效能和回報率，未來商業空間廣闊。美國北方天空智庫發布的2020－2030年太空服務市場預測報告指出，未來10年有較明確延壽需求的GEO衛星達75顆，僅此一項服務預計收入可達32億美元；并且隨著ISAM能力快速發展，未來10年內ISAM服務范圍將拓展至航天器重定位、離軌和空間碎片清除等領域，潛在用戶衛星超過230顆，催生數百億美元市場。該重大市場需求已成為商業航天公司競相發展在軌加注等在軌服務系統與能力的重要驅動。

在軌加注服務是美國提升航天器服務效益、搶占全球在軌服務市場的重要途徑

在軌加注服務是延長航天器壽命的簡單可行手段。傳統航天器往往是“工廠到墳墓”的一次性消耗品，在發射入軌時攜帶的推進劑數量就已確定，但航天器入軌后的位置保持、軌道抬升、碰撞規避、壽命末期處置和許多其他類型的在軌機動都需要推進劑，一旦航天器攜帶的推進劑耗盡，即使其他系統仍可正常工作，航天器使用壽命也將終結。例如：加拿大通信衛星公司（Telesat）的阿尼克-F2（Anik-F2）衛星在2022年因燃料耗盡，提前3年退役，給運營商造成了超過1300萬美元的損失。

在軌加注服務可催生新的太空任務概念。例如：航天器可在初始燃料較少的情況下發射，從而減少系統尺寸、復雜性和發射成本；通過在軌加注，航天器運營商可以根據不斷變化的需求對航天器進行機動和重定位操作，提升任務的靈活性。特別是在軌加注服務的客戶航天器不僅包括傳統的通信、遙感等航天器，也包括其他在軌服務航天器，使其可以為更廣泛軌道的更多客戶提供服務，有效提升在軌服務活動的效率和可用性。因此，在軌加注服務具有很廣闊的市場空間，據印度海峽研究公司（straits research）最新報告，2022年全球在軌加注市場規模為240萬美元，到2031年將達到10.8億美元，平均年復合增長率超過97%，遠高于在軌服務領域整體約15%的年復合增長率。

在軌加注服務是美軍加快構建軌道作戰所需“無慮機動”能力的必要手段

美國天軍在2020年發布的《太空頂層出版物：天權》中已明確將“太空機動與后勤”作為其五大核心能力之一加快布局和發展，“太空機動與后勤”為在太空域、從太空域返回地球以及進入太空域的軍事裝備和人員提供機動和保障。由于太空域獨特的“地形地貌”（在太空域運行的航天器沒有固定的位置、運動高度與速度需遵循嚴格的對應關系），太空裝備要機動到“對敵有利位置”相比于其他作戰域更加困難，太空機動與后勤已成為美軍軌道作戰能力的重大制約。

針對這一問題，軌道工廠公司于2020年率先提出“無慮機動”概念，即“及時為用戶的航天器補充燃料，延長用戶航天器運行壽命，使用戶能夠‘沒有顧慮’地操作航天器進行機動”，以擴大太空裝備活動半徑，支撐美軍軌道作戰。“無慮機動”概念受到美國天軍高度認可，后續天軍以該概念為核心提出了“2030太空后勤”（2030 Space Logistics）愿景，天軍太空系統司令部在此基礎上于2022年底制定了太空機動與后勤能力發展演進路線圖。考慮技術難度、風險和可行性，美國天軍將成熟度相對較高的“無慮機動”作為“五步走”演進路線圖的第二步，是現階段能力建設的重點。

2 軌道工廠公司成為商業在軌加注服務領域領跑者

軌道工廠公司作為初創公司屢獲多國加注服務訂單

自成立以來，軌道工廠公司發展迅速，目前已成為世界在軌加注領域的代表性公司，其系統和服務的發展歷程大致如下：2019年6月，軌道工廠公司在國際空間站兩個衛星測試臺間成功進行液體水傳輸，展示了微重力下航天器間傳輸燃料的能力；2021年6月，軌道工廠公司成功發射世界首個在軌燃料存儲庫——油輪-001（Tanker-001）航天器；2022年，軌道工廠公司發布了其標準加注接口RAFTI的具體技術方案；2022年8月，軌道工廠公司宣布推出肼燃料加注服務，其為GEO衛星加注100kg肼燃料的價格約為2000萬美元，并表示未來還將提供氙、水和氮等燃料的加注服務。目前軌道公司已接到為超過100顆衛星配備RAFTI接口的請求，并獲得軍、民、商領域多份在軌加注訂單。

軌道工廠公司推出在軌加注服務核心產品

（1）RAFTI標準加注接口

RAFTI是軌道工廠公司開發的一種被動式流體傳輸接口，主要用途包括發射前推進系統注入和排放燃料、交會對接時的接口、在軌加注期間的流體轉移。

RAFTI服務閥（RSV）由1個八角形錨鉤固定裝置（Grapple Fixture）、2個被動閥芯（Passive Valve Cores）和其他蓋板封閉組件（Cover Closeout Assembly）組成。其中錨鉤固定裝置用于和用戶衛星的對接界面，提供閥芯對齊和初級封閉功能；被動閥芯用作流體轉移通道，2個閥芯可支持兩種獨立流體傳輸，如推進劑和加壓劑。閥芯采用彈性O形圈進行靜態封閉，帶電密封圈進行動態封閉；蓋板封閉組件用作完成最終密閉。

軌道工廠公司獲得的主要在軌加注服務訂單

RAFTI的尺寸為45mm×75mm×75mm，質量為500g，工作壓力為650psi（4500kPa）或3000psi（21000kPa）。

（2）“用于加注效能提升的通用任務規劃器”（UMPIRE）軟件

UMPIRE是軌道工廠公司開發的加注任務分析軟件，可以幫助用戶計算執行特定任務可負擔的有效載荷質量，分析在軌加注帶來的收益，并規劃需在任務過程中的何時何處進行加注。

軌道工廠公司提出兩種在軌加注服務方案

軌道工廠公司目前提供兩種在軌加注方案，一是通過“燃料庫”載荷，主要提供被動加注服務；二是通過“燃料班車”（Fuel Shuttle）航天器，主要提供主動加注服務。

RAFTI服務閥具體尺寸圖

無論是“燃料庫”載荷方案或“燃料班車”航天器方案，都各包括一套通用加注組件（CORE）。“通用加注組件”基礎配置包括RAFTI服務閥、對接基準點、液體管理系統、燃料儲存箱，如需主動與客戶航天器對接，需選配“對象抓取和補給接口”（GRIP）和流體泵。GRIP是一種主動對接接口，能夠與RAFTI配合進行燃料傳輸。

“燃料庫”載荷方案主要目的是將燃料運輸到太空并高效存儲，成本相對較低，包含高質量占比的燃料和用于姿態控制與有效載荷運行的基本組件；“燃料班車”航天器方案配備了軌道工廠公司的“智能抵近和交會組件”，也具備強機動能力的推進系統，“燃料班車”可以將燃料從在軌燃料存儲庫運送給配備RAFTI接口的客戶航天器。“燃料班車”具備較強的可靠性，成本相對較高，但可以通過數十次的重復使用來分攤成本。

軌道工廠公司在美國天軍泰特拉-5衛星的在軌加注任務中，采取了“燃料庫”載荷方案。“燃料庫”載荷將搭載在美國脈沖航天公司（Pulse Space）的“米拉”（Milla）衛星上，為同樣配備RAFTI接口的泰特拉-5衛星在軌加注不超過50kg肼燃料。“米拉”載荷托管平臺是初創公司脈沖航天開發的軌道轉移飛行器，主要為“燃料庫”載荷提供能源、通信、姿態控制和機動等托管服務。效果圖顯示“燃料庫”載荷將配備GRIP，推測會采取由任務航天器主動對接加注的方式。

軌道工廠公司兩種加注方案對比

3 研究啟示

（1）在軌服務加速邁進商業服務階段，將引發太空體系架構與裝備形態重大變革

在軌服務加速邁進商業服務階段。主要航天國家已認識到，在軌服務正在成為新一輪全球太空技術創新、太空經濟發展、太空軍事能力提升的新高地，進而成為其拓展國家戰略空間、搶占太空公域經濟利益和軍事優勢的新支點。2019年，諾格公司（NG）任務拓展飛行器-1（MEV-1）為國際通信衛星公司（Intelsat）的國際通信衛星-901（Intelsat-901）成功提供在軌延壽服務，給予行業重大信心。同時，美國發布國家在軌服務戰略，給予政策性支持，美國天軍項目管理部門投入數億美元經費支持100余家商業公司開展創新概念開發和前沿技術孵化，其中大量項目計劃在2025年前后完成。據此可研判，全球在軌服務行業正進入蓬勃發展階段，呈現井噴態勢，表明商業在軌服務時代即將到來。

在軌服務將引發太空體系架構與裝備形態重大變革。在軌服務覆蓋航天器從入軌到退役處置全壽命周期的在軌組裝建造、維修維護、改造升級、末期處置服務，將顛覆現有太空系統的設計理念，極大破除當前太空系統在設計、建造、發射方面受到的制約。美國天軍在2022年12月發布的《太空條令出版物4-0：維持》提出了“可靠性、可用性、可維性”（RAM）太空裝備綜合考慮指標，且正在推動在軍方太空裝備上配備標準在軌服務接口，例如：軌道工廠公司的RAFTI、洛馬公司（LM）的“在軌對接任務增強端口”（MAP，交會對接接口）與“增強系統端口接口”（ASPIN，電氣和數據接口）等，未來太空裝備將是可補加、可維護、可升級的，裝備形態和運用方式將產生巨大轉變。

（2）軌道工廠公司提前布局、概念牽引、主導標準，是搶先占領和持續擴大在軌加注市場的制勝之道

隨著商業在軌服務時代即將到來，在軌服務領域行業競爭將逐步加劇，軌道工廠公司通過提前布局、概念牽引、主導標準，脫穎而出成為在軌加注服務領域的領跑者。

提前布局，形成技術優勢。在軌服務領域涉及高效推進、先進傳感器、機械臂、智能自主控制等諸多技術，整體技術難度普遍較高，在軌服務公司從概念提出到服務應用往往需要至少8－10年的時間，例如：諾格公司的“任務拓展飛行器”系列在軌延壽航天器從2011年概念提出到2019年發射首星提供服務歷經8年時間。軌道工廠公司在在軌加注服務市場并不明朗的情況下，堅定市場研判，提前布局，自2018年成立以來專注商業在軌加注服務技術攻關和系統開發，通過國際空間站衛星測試平臺、技術試驗衛星演示驗證關鍵技術，對其他公司形成顯著技術優勢。

提出概念，牽引市場需求。軌道工廠公司在發展過程中提出了契合美國天軍軌道作戰需求的“無慮機動”的概念，被天軍認可并納入體系愿景和能力發展規劃，未來美國天軍在采購加注服務時必將優先考慮軌道工廠公司。例如：在天軍本次3顆泰特拉-5衛星（泰特拉-5A/5B/5C）的加注服務采購中，軌道工廠成為首家確定的加注服務供應商。

制定標準，把控行業話語權。采用在軌加注標準接口是在軌加注技術與能力發展、建立在軌加注行業生態的先決條件。軌道工廠公司率先推出標準加注接口RAFTI，并發布了具體技術方案，搶占了行業發展先機。美軍2022年向軌道工廠公司授予合同，為美軍方航天器集成RAFTI接口，一旦通過RAFTI接口在軍方航天器上提供在軌加注的成功示范，RAFTI接口或將在美國軍、民、商各領域得到快速推廣，屆時軌道工廠公司對在軌加注行業的話語權將顯著增強。