他山之石可以攻玉——国外卫星在轨操作系统发展分析<br/>

他山之石可以攻玉——国外卫星在轨操作系统发展分析

2011-12-07□陈杰

太空探索 2011年10期

□ 陈杰

“轨道快车”进行抓星试验

卫星在轨操作任务主要包括在轨燃料加注、在轨模块更换、在轨发射、在轨空间碎片清除等。值得指出的是，在轨操作可以针对己方航天器进行，也可以针对敌方航天器进行。能够通过在轨加注延长航天器寿命，也可以利用交会对接和空间机械手技术将敌方航天器拖离目标轨道，具有巨大的商业和军用潜力。

机器人大展身手——综合性卫星在轨操作系统

综合性卫星在轨操作系统将演示验证多种类型的在轨操作，主要包括美国的前端机器人技术近期演示（FREND）项目和德国的轨道服务任务系统。

美国国防高级研究计划局（DARPA）在轨道快车计划之后，目前正在执行FREND计划。该试验的主要目标包括三个方面：一是帮助延长卫星使用寿命，节省成本；二是验证在轨自主卫星服务能力；三是验证太空机器人活动的有效性。FREND航天器的最大特点是能实现对目标的捕获，因此可以改造成空间武器。FREND机器人的最终运行轨道为地球同步轨道。

FREND航天器主要由推进模块和有效载荷模块两部分组成：推进模块包括一台推力491牛的火箭发动机、六台22牛的姿态控制系统推进器、2个相连的太阳能电池阵、星象跟踪仪、惯性测量单元、两台天地链路系统转发器、全球定位系统接收器及平台处理器；有效载荷模块包括自动对接及捕获系统，具体有三个7自由度的万能机械手、计算机视觉系统、三个工具箱、远程获取传感器以及有效载荷处理器。推进模块与有效载荷模块的功能相互独立。

FREND航天器主要功能包括：在设计之初考虑到在轨维修的需求，因此在此类航天器上安装有特殊设计的相应对接和部件替换的接口，能进行在轨维修、更换并安装轨道替换单元、补充燃料等；对于那些原来未考虑在轨维修服务的航天器，能够进行位置保持、姿态控制、轨道转移和修正。目前，DARPA正在寻求合作投资者以在近期进行在轨演示。2010财年FREND项目的投资为1200万美元，2011财年申请的预算为900万美元。

德国自由飞行机器人系统计划停止后，德国又提出了近期开展的德国轨道服务任务（DEOS）项目，在2008年2月完成了阶段A方案设计，任务目标为：对合作卫星的对接，对滚转非合作目标的捕获，主星和目标星的组合体离轨机动。需要指出的是，DEOS是以地球同步轨道卫星为服务对象的，但近期将先在低地球轨道上开展演示，以验证滚转非合作目标的自主捕获、对接等关键技术。

DEOS项目的目的是处置退役卫星。2009年2月初始设计阶段完成。2010年2月开始详细设计阶段的工作到2011年8月结束。2010年，德国航天局指定OHB系统公司全面负责DEOS项目定义阶段的系统管理工作。DEOS项目结合了机器人技术、卫星技术以及驱动和控制技术。DEOS项目还有其他目标包括：无人在轨监视、维护和轨道设施的在轨装配，同时包括清除空间碎片。DEOS的技术验证集中在制导、导航与控制技术，非合作目标与合作目标的捕获技术，轨道机动以及离轨控制等。2010年2月，德国航天局授出DEOS系统的5份合同，一旦决定建造演示样机，DEOS项目的成本将达到2.72亿美元。

DARPA的FREND计划示意图

太空加油站——在轨燃料加注与模块更换

在常温推进剂方面，美国的轨道快车项目已经完成在轨演示验证。加拿大麦克唐纳·德特威勒公司（MDA）在2011年与国际卫星组织签订了全球第一份卫星在轨加注协议，计划在2015年为国际卫星组织运营的地球静止轨道卫星提供在轨加注服务。欧洲的赫尔墨斯项目和多国合作的卫星延寿系统项目仍在继续研制过程中。在低温推进剂方面，目前只有美国在开展低温推进剂在轨加注的研究工作。

2011年3月16日，MDA宣布与国际卫星组织签署了全球第一个为地球同步轨道卫星提供服务的协议。国际通信卫星公司将作为MDA拟议中的太空基础设施服务（SIS）飞行器的“锚点”用户。

SIS飞行器将与地球同步轨道航天器对接并补充燃料以延长其寿命。SIS飞行器的机器人系统也可以用来执行诸如释放被卡住的天线等航天器维修，甚至捕获轨道碎片。国际卫星公司又将通过其国际卫星总部子公司将这些服务转售给美国政府用户。国际通信卫星公司与MDA的协议价值并未披露，但估计多达2亿美元。该协议设想为4～5颗卫星传送1000千克推进剂，使每颗卫星的运行寿命额外增加数年。首颗SIS卫星计划在2015年发射。

为了验证低温推进剂的在轨转移和存储技术，美国航宇局（NASA）制定了“出发点”计划，计划于2015年发射在轨技术演示验证卫星。

“出发点”计划飞行器的集成将在肯尼迪航天中心进行，将利用宇宙神-5运载火箭发射进入高550千米、倾角为28.5°的低地球轨道，在轨演示超过10个月。验证系统包括两个飞行器即推进剂转移和存储验证（PTSD）飞行器以及自主交会对接验证飞行器（ADV）。演示内容包括四个方面：飞行器内部低温流体管理，验证低温储存技术和低温流体传输；低温推进试验，验证液氧和液态甲烷推进剂助推器性能，包括多次点火试验；自主交会对接，PTSD和ADV将执行一系列机动以验证和试验自主交会对接技术；飞行器间的低温流体管理。“出发点”计划中研究的低温推进剂主要包括液氢、液氧、液态甲烷等。美国航宇局认为，总体上低温推进剂在轨传输的技术成熟度小于5级。

任务扩展飞行器为地球同步轨道卫星提供在轨延寿服务

太空清洁工——在轨空间碎片清除与辅助进入预定轨道

2009年11月，美国航宇局和DARPA召开了关于清除空间碎片的研讨会，提出了多种方案。其中美国恒星技术公司提出的利用电动碎片清除装置（EDDE）清除空间碎片的方案较为重要，这种方案可以以较为合理的成本清除大型空间碎片。EDDE的两端是两颗微卫星，由多段各1千米长、30毫米宽、38微米厚的带状铝制导线连接在一起，各段导线之间安装用于提供能源的太阳电池板。铝制导线是电子收集器，整个EDDE的两端有两个电子发射器。EDDE实际上是一种无推进剂的电动发动机，与地球磁场的方向相反。EDDE处于低地球轨道，在地球偶极子磁场内运行，周围充满了被电离层捕获的太阳风带来的等离子。太阳电池板产生的电流通过带状铝制导线，在磁场中产生与导线长度、电流强度以及磁场强度成正比的洛仑兹力。

DEOS系统组成示意图（左）及仿真示意图（右）

每一个EDDE的质量为100千克，收拢后所占空间的长、宽、高分别为0.6米、0.6米、0.3米。可以装载在运载火箭次级有效载荷适配器中。每一个EDDE两端各有一个网络管理器，每一个网络管理器上有100个各50克重的格形网。EDDE以每秒2米～3米的速度经过目标，将其捕入网内。恒星技术公司将要首先进行缩比例尺的EDDE样机演示验证，样机质量50千克，长度为2千米～3千米。将验证轨道转移和交会能力并确定跟踪和控制方法。目前，恒星公司已经开始测试EDDE技术，期望2013年进行试验飞行。如果试验成功，EDDE将在2017年以前开始低地球轨道的全面清扫运行工作。

2011年1月13日，美国太空有限责任公司宣布与阿联特技术系统公司联合成立维维卫星公司，其目的是为地球同步轨道卫星运营商提供灵活且可升级的高效、低风险在轨卫星延寿和防护服务，可使卫星工作寿命增加数年。维维公司将使用任务扩展飞行器（MEV）在轨与卫星对接并牢固锁紧，充当备用推进系统，这能够延长机动燃料已耗尽但仍有电力可使有效载荷工作的卫星的任务寿命。

MEV能够在卫星运行不间断的情况下与之交会对接，执行长期位置保持和姿态控制、重新确定不同的轨道或轨道槽、离轨、救援以及使搁浅在错误轨道槽内的卫星重新入轨等服务。

波音公司提出的高强度电动力系绳在轨发射设施

NASA的“出发点”系统在轨运行示意图

国外发展卫星在轨操作系统的三点启示

卫星在轨操作将对航天器的发展产生重要影响，有着广泛的民用和军用潜力、能产生可观的经济效益，其发展长期以来受到航天大国的重视。根据前文对国外卫星在轨操作系统的分析可以得到以下三点启示：

一、卫星在轨操作系统将带来航天器发展的重大变革。

传统的航天器在发射入轨后，其携带的推进剂和各组成模块就固化了。在初期携带的推进剂耗尽后、即使其他系统仍能正常工作，其使用寿命也即告终结。此外，作为一个整体的大系统，航天器的一个关键部件失效会导致整星无法工作。另一方面，为了节省推进剂、延长在轨使用时间，航天器的机动能力往往受到限制，导致无法完成一些特殊功能。通过包括在轨道加注、在轨模块更换等在轨操作为航天器加注燃料、更换故障部件，将为航天器提供新的动力源泉，使其重新进入工作状态。把以往只有在地面上的“加油站和维修站”搬到轨道空间，使航天器可以享受“太空加油和维修”服务，延长使用寿命，进行技术升级。这是以往卫星系统做不到的。

二、卫星在轨操作系统具有巨大的应用潜力。

在军事应用方面，卫星在轨操作系统能够进行推进剂的在轨补给，可以大大提高航天器的在轨机动能力，并增强其执行任务的灵活性，如：使侦察卫星能够根据对地观测的要求灵活调整地面覆盖区域和观测时间，或机动变轨跟踪监视目标航天器，从而实现灵活部署侦察与监视卫星的能力，满足空间攻防对抗的要求。同时，通过提高航天器的轨道机动能力，能够大大降低被敌方航天器攻击的概率，从而提高己方航天器的生存能力。

在商业应用方面，由于发射条件与成本、航天器结构与质量的限制，推进剂的携带量有限。一旦航天器推进剂提前耗尽，则会缩短在轨工作寿命。通过卫星在轨操作可以大大降低航天器全寿命周期费用，具有显著的经济效益。根据MDA公司估算，2002～2011年的十年间，全球共有50颗地球同步轨道通信卫星因燃料提前耗尽而失效、15颗因其他原因不能正常工作。替换这些卫星的成本为120亿～160亿美元。2012～2020年可能有106颗地球同步轨道通信卫星因燃料提前耗尽失效、30颗因其他原因不能正常工作。替换卫星的成本更是高达300亿～360亿美元。如果能够通过在轨加注系统为卫星补充燃料，充分延长使用寿命，可以节省大量成本。

维维卫星公司的任务扩展飞行器（MEV）为地球同步轨道卫星提供在轨延寿服务

三、国外总体上采取渐进式思路发展卫星在轨操作系统。

国外卫星在轨操作系统的发展首先是在近地轨道上开展对合作目标的演示验证，随后逐步向高轨道、非合作目标推进。例如美国的轨道快车项目和前端机器人近期演示项目就是很好的例证。又如在推进剂在轨加注方面，美国在突破了常温肼推进剂在轨加注技术后，目前正在开展技术难度更大的低温推进剂在轨加注的研究工作。这种先易后难、循序渐进的发展思路符合技术进步的客观规律，是一种值得借鉴和遵循的模式。

在在轨操作的任务对象方面，针对合作目标的操作任务难度相对较低，但对于大多数已在轨服务的地球同步轨道航天器和空间碎片，没有安装用于机械臂捕获的抓持机构以及用于辅助测量的合作标志器和特征块等，即目标是非合作的。要实现对此类目标的服务，首先需要解决测量问题，即采用相应的测量设备，在远、中、近距离提供对目标相对位置、姿态的测量值，作为目标跟踪、接近、捕获等过程的导航、制导与控制的输入。针对非合作目标的在轨操作还处于技术成熟度较低的阶段，虽然目前已经提出了一些方法，但都有相应的局限性，要么假定目标的外形尺寸已知，要么仅能针对某一类型特定目标，离真正运用还有很大差距。