太空在轨服务 与 拆解再构建技术发展的新前景

王景泉 （北京空间科技信息研究所）

多年来，航天技术发展国家对轨道服务进行着不懈的努力。近年该技术领域进入了发展的快车道，机器人轨道服务逐渐从验证阶段进入应用阶段。美国航空航天局（NASA）和国防部提出了各自的机器人轨道服务发展计划。2012年5月30－31日，240名代表在NASA戈达德航天飞行中心召开轨道服务大会，提出了遥测、再定位、燃料加注、维修、更换零部件及风险这六个方面全面研究的发展思路。2012年6月26日，美国国防高级研究计划局（DARPA）在华盛顿召开“培育可持续的卫星轨道服务大会”，深入探讨在轨拆解退役卫星有用部件，以及在轨重构功能系统的诸多技术。世界安全基金会（SWF）与法国国际问题研究所（IFRI）于2012年10月30在布鲁塞尔、世界安全基金会与新加坡航天技术协会（SSTA）于2013年2月20在新加坡均召开了此类国际会议，研讨包括在轨燃料加注、在轨维修、在轨拆解并构建新卫星、主动清除轨道碎片（ADR）等轨道服务问题，加快有效利用地球轨道在轨服务（OOS）技术的发展。

1 利用载人航天系统对轨道服务技术进行飞行

早在20多年前，美国航空航天局就开始进行卫星轨道服务技术的开发，首先在“国际空间站”（ISS）等低地球轨道(LEO)飞行器上进行验证，然后再转移到静止轨道(GEO)和其他轨道。其战略规划是在政府技术投资的支持下，从载人轨道服务起步，逐步发展高技术水平的机器人轨道服务系统，不断增强轨道服务能力。同时，美国航空航天局十分重视发展商业模式，为以后更广泛的轨道服务打基础。另外，该局还解决了在卫星设计中建立通用标准这一关键问题，建立包括模块化系统、连接器、端口和抓捕固定器等部件的通用标准，以推动轨道服务技术的快速发展。

利用航天飞机验证有人轨道服务技术

航天飞机任务曾利用舱外行走（EVA）和机器人技术验证提供有人轨道服务能力，最著名的是机器人遥操纵系统(RMS)，于1981年利用哥伦比亚号航天飞机（STS－2）进行首飞。

舱外行走和机器人第一次轨道服务是对“太阳峰年”(SMM)卫星的维修。1984年4月，挑战者号航天飞机利用交会接近技术，辅以遥控机械臂和航天员的舱外作业，在地球轨道上成功地追踪、捕获并修复了已失灵的“太阳峰年”卫星。

后来，又实施了持续多年的“哈勃空间望远镜”（HST）轨道服务和维修活动，利用RMS抓获用户卫星，重点集中于更换轨道置换仪器(ORI)和轨道置换单元(ORU)。第一次服务除了安装望远镜光轴校正置换装置（COSTAR）和维修光学系统外，还更换了旧的太阳电池翼和一套电子驱动系统，为飞行计算机安装了协处理器，恢复了磁力计功能，置换了速率敏感器单元（陀螺仪组件）和陀螺仪电子控制单元，安装了戈达德高分辨率光谱仪新型工具包。

在以后的16年里，至少对“哈勃空间望远镜”进行了4次轨道服务。第2次服务任务更换了空间望远镜成像光谱仪(STIS)，提高了光谱观测能力，使之能够研究星系中心超大质量黑洞；更换的近红外摄像机和多目标光谱仪(NICMOS)打开了“哈勃空间望远镜”的近红外波长区，能研究遥远新星，这是未来解决暗能量问题的关键。第3次服务除更换了新的先进计算机、精密制导敏感器（FGS）、扶手防护部分、新的发射机和固态记录器外，特别还提供了新研制的陀螺仪。更换了新型摄像机和用于测量的先进相机(ACS)。第4次服务任务中更换了宇宙起源光谱仪和宽视场摄像机、新的陀螺仪、新的精密制导敏感器、新型电池和一套新的外部覆盖层(NOBLs)等。

“哈勃空间望远镜”轨道服务任务的每一次都有巨大的挑战，解决了诸多问题，在长达20年里实现了100%的任务成功，卫星轨道服务的效益和多功能性得到极好的验证。

“国际空间站”轨道组装开创了最大规模的有人轨道服务

“国际空间站”轨道组装本身就是最大规模的有人轨道服务的典型例证，验证了轨道构建飞行器的价值和效果。全尺寸的空间站再不必作为整体单元全部在地面组装、试验和发射，超大规模航天器研制模式发生了根本性改变。首先要严格确定部件之间的标准接口，以便进行轨道连接。较多的试验分块进行，包括在热真空罐中的空间鉴定试验在内的地面试验，均改为在模块级和分系统级进行。被送入轨道的每一个新的部件，在他们进入轨道后再作最后的集成和检查。

“国际空间站”航天员完成了各种轨道维护和服务任务，包括太阳电池翼在展开期间发生故障的修理，裂开的太阳电池翼维修、太阳电池翼“阿尔发”旋转关节的润滑、拆除，更换诸如控制力矩陀螺等故障部件，安装和取回外部研究有效载荷等，维修了在轨道服务应用中急需的有故障的制冷系统。轨道服务能够支持ISS内部和外部研究各种设施的安装与操作，包括所有生物学实验设施、物理科学和材料、燃烧和流体科学研究设施架等。还有，在天底面安装高光学质量的窗口，用于地球科学观测。

在“国际空间站”的构建和维护中，机器人成为轨道服务的重要手段。航天飞机的机器臂从航天飞机有效载荷舱体中搬运大量新的空间站部件，并将它们运送到大型的空间站遥操作系统(SSRMS)，准备下一次停靠时进行安装。加拿大的专用灵巧机械臂“德克斯特”(Dex tre)能提供以前要求航天员太空行走操作才能完成的能力。“德克斯特”有两个相互独立的机器臂，实现比航天飞机和SSRMS更精准的操作。机器人再加注任务(RRM)包括大量的置换功能和再加注燃料的配置，是被服务飞行器保持正常应用甚至增强功能的有效途径。“德克斯特”使用专门工具拆除隔热层、转换试验端口、切割安全线、拆卸安全帽、传输与肼类似性质的流体（典型的卫星燃料）进入可以接收的储箱。灵巧机器人指向包(DPP)将利用“德克斯特”验证精确指向能力，完善抓获过程。为“国际空间站”改进的机器人航天员－2（R－2），是“酷似人类”的机器人，具有灵巧的手和关节控制，它最初在“国际空间站”内部加压环境下运行，后来作为航天员太空行走的助手。纵观到目前为止的空间站轨道组装和利用过程，已经为卫星轨道服务打下坚实的基础。

2 无人飞行器的机器人轨道服务验证

无人飞行器的轨道服务也进行了多次试验，使得关键的服务技术日臻成熟。

世界上第一个采用机器臂的无人卫星

日本于1997年研制的技术试验卫星－7（ETS－7），是世界上第一个采用机器臂的无人卫星，目的是开发自主交会对接所需要的遥控交会对接与空间机器臂技术。任务期间，追逐星和目标星发射后分离，再接近，交会并对接，成功验证了机器人交会对接的基本技术，支持了与遥操作有关的试验，包括轨道置换单元的部件更换和空间结构的组装，机器臂和卫星之间的动力学调整等。这次试验的成功为日本卫星轨道服务开辟了道路。

美国航空航天局验证卫星机器人在轨服务技术

美国航空航天局实施“自主交会技术验证”（DART）计划的目的，是试验无人情况下与其他卫星在轨自主交会的技术。此前，美国航天器之间的交会对接大都有航天员操控；而“自主交会技术验证”飞行器是利用它携带的计算机和敏感器，在无人操作的情况下自主执行全部交会对接任务，包括机动飞行、改变轨道和速度，缓慢准确地对准对接口，实现交会接近。“自主交会技术验证”飞行器装有先进视频引导敏感器、视频成像仪、肼燃料推进系统、GPS接收机和计算机等。在交会操作过程中，先进视频引导敏感器接收目标卫星激光测距系统的激光信号，测量出2个航天器之间相对的距离、方位和姿态，在距目标卫星5m左右进行一系列复杂的操纵调整。由于目标卫星没有对接装置，所以“自主交会技术验证”飞行器不与目标进行对接，而是以毫米级的精度接近它。

2005年4月16日，“自主交会技术验证”飞行器与美军退役的“多路径超视距通信”（MUBLCOM）卫星自主交会。但是当前者进入距“多路径超视距通信”卫星91.44m的范围内时，由于推进燃料消耗过多，任务被迫提前结束。

美国国防部机器人轨道服务技术验证

美国国防高级研究计划局的“轨道快车”（Orbital Ex press）计划成功验证了自主飞行器为在轨卫星加注燃料、更换部件、升级功能、延长寿命等轨道服务技术，其技术进步可能引发军事航天技术应用的新一轮变革。“轨道快车”系统包括3种卫星，即服务卫星“自主空间运输器和机器人轨道器”（ASTRO）、被服务卫星“下一代卫星/补给航天器”（NextSat/CSC）以及能对美国静止轨道卫星进行空间监视的微卫星。“自主空间运输器和机器人轨道器”载有136k g推进燃料、1个小型机械臂、2套可对目标星进行跟踪观测的光学成像装置，能对目标星进行部件更换、燃料输送，用以验证自主交会、接近操作、标准接口、软捕获、推进剂供应和部件置换等20项技术。

2007年3－5月，“自主空间运输器和机器人轨道器”和“下一代卫星”两种卫星完成自由飞行分离与交会对接验证。“自主空间运输器和机器人轨道器”用光学成像装置跟踪并“锁定”后者后，自主交会并接近，然后用抓钩臂和三叉形对接装置将它拉近停靠、完成对接，并为其更换太阳电池翼和其他零部件。整个交会对接和更换过程都由卫星自主完成，地面控制人员没有介入。后来“自主空间运输器和机器人轨道器”又试验了视频传感器远距离敏感度，卸空推进剂，关闭电源系统，完成了和“下一代卫星”的自主对接和验证燃料传输以及诸如将电池插入到“下一代卫星”等轨道置换单元的更换活动，确认了卫星服务所需的关键技术。

美国空军微卫星机器人轨道服务验证

“试验卫星系统”（XSS）是美国空军研究实验室、空军航天与导弹系统中心、海军研究实验室等机构联合开展的项目，目的是研制一种全自主控制的具有在轨检查、交会对接、在轨道围绕目标近距离机动等能力的微小卫星，最终增强美国军事航天执行空间维修、升级及其他特殊任务的能力。

其中试验卫星系统－10卫星是微卫星有效载荷对轨道目标成像的概念性探路者，装备用于交会对接的电子部件、轻量级推进系统、轻型捷联式惯性测量装置、小型姿态控制系统、天地链接系统、CCD成像器及锂离子电池等。在交会对接试验中，试验卫星系统－10首先机动到距目标飞行器100m以内，对目标飞行器进行拍照，然后继续机动到距目标飞行器35m范围内，拍照并传输数字图像。该卫星在24h内完成了多次在轨机动试验。

试验卫星系统－11计划的主要任务是验证星载监视设备对目标飞行器的监视能力，验证先进的轨道机动和位置保持能力、自身对空间威胁的感知能力（感知自身是否受到干扰或激光武器的攻击）等，还验证多种以空间作战为背景的自主交会控制与接近技术（特别是与非合作目标的自主空间交会），长时间灵活接近，对多个目标的接近以及接近控制与管理模式，低成本空间集成与制造卫星技术的可行性，对飞行状态与试验结果的分析等。

卫星进行了最少1年的复杂接近操作，包括靠近和围绕目标实施检查和机动，如检查目标飞行器的状态，靠近飞行器拍摄照片；配合地面操作人员对在轨卫星进行综合诊断，确定其性质；验证与非合作目标飞行器自主共轨式飞行的能力；实施空间飞行器燃料补给操作等轨道服务。其关键技术包括接近操作的软件和算法、小型化接近敏感器（含激光测距仪）、公用舱和模块化有效载荷舱接口，以及用于接近操作的指挥控制技术等。关键分系统是星上计算机、电源和推进分系统，包括每秒处理2.4亿条指令的防辐射PC750处理器、太阳电池和高能锂离子电池、热气态肼推进系统；低功率收发信机；能够在轨重新编程、可承受空间辐射环境，集成后可在轨自主升级的GPS接收器；低功率快速扫描激光雷达和集成化遥感相机，分别用于主动和被动两种方法确定飞行器的相对位置等。

试验卫星系统－11可在远离目标的前、后方飞行，交会后靠近飞行，有安全交会和可控制地精确接近目标能力。在任务期间，卫星与位于同一轨道面的6～7个飞行器（包括失效的火箭上面级与废弃的卫星）进行了自主交会，每次交会试验都有几个确定的技术验证科目，如使用不同的传感器、不同的制导算法等。卫星还与数个临近其轨道平面的美国空间飞行器进行交会和接近，以验证更高程度的自主性。试验卫星系统－11卫星由地面控制飞行，地面控制中心也参与交会、航向修正等过程。星载自主能力较强，技术人员在地面输入自主任务规划软件、卫星在全自动模式下飞行。

其他的机器人轨道服务技术开发计划

欧洲航天局提出的“锥形快车-轨道寿命延长飞行器”（CX-OLEV）由轨道复活公司研制，主要服务于静止轨道通信卫星。“锥形快车-轨道寿命延长飞行器”可以发现、跟踪、抓获静止轨道上的用户卫星，并可在交会对接后附着在用户卫星上长达10年，利用自身的推进和引导系统使其恢复姿态和轨道控制功能。“锥形快车-轨道寿命延长飞行器”配置“万能”锥型接口装置，可与燃料耗尽的大多数卫星的远地点发动机喷嘴对接成1个组合体，然后取代原卫星的姿态和轨道控制系统，为这一组合体提供导航、制导和动力。因此，“锥形快车-轨道寿命延长飞行器”可以延长卫星的工作寿命（使质量3t的卫星延寿10年）,还能对被发射到错误轨道上或者在机动期间发生问题的卫星实施救援和重新定位，像“拖船”那样把它们送到正确轨道上。

德国航天局（DLR）于2010年开始分5个部分进行轨道服务验证，即全面系统地管理对用户卫星的跟踪、交会，处置用户卫星，用户卫星的设计，包括机械臂和对接机构的服务有效载荷的设计。轨道验证期间，服务飞行器和用户卫星一起发射，入轨后分离。服务飞行器和用户卫星交会并捕获，然后引导系统再入地球。

加拿大麦德联合有限公司（MDA）也从2010年开始设计卫星服务系统，验证卫星再加注燃料，并将不工作卫星推进墓地轨道。服务飞行器和用户卫星的远地点爬升发动机对接，剥去隔离层，连接到燃料管道，灌进推进剂。虽然实现目标的技术障碍基本解决，但由于资金和责任等诸多问题，该计划中途停止。

3 机器人卫星轨道服务将开辟卫星技术发展的新时代

美国航空航天局将机器人卫星轨道服务作为技术发展的重点。2011年4月美国航空航天局以广泛机构公告（BA A）的形式提出了卫星再加注的技术验证计划，主要发展的技术包括高带宽深空通信、轨道碎片减缓、深空推进系统、自主交会对接和服务操作4个领域。

美国航空航天局制定发展卫星服务能力计划推动私营卫星服务工业

受美国国会的委托，在美国航空航天局咨询委员会(NAC)的支持下，开展了未来可能的卫星轨道服务研究。为了获得在太空进行卫星补给燃料的技术和方法，美国航空航天局决定制定卫星服务能力计划（SSCP）。设在哥达德空间飞行中心的卫星服务能力办公室(SSCO)，具有空间服务专门技术的优势，曾经研制维修“哈勃空间望远镜”的轨道服务系统，也负责后来提出的机器人轨道服务任务。目前，卫星服务能力办公室集中于“机器人燃料补给任务”（RRM）的试验计划。作为美国航空航天局和加拿大航天局（CSA）联合计划的一部分，机器人补给燃料任务计划安排在“国际空间站”上进行试验，验证在轨卫星再加注燃料和维修的能力。

机器人卫星轨道服务的主要形式

未来的机器人卫星服务可能主要有6种不同的形式：①遥远轨道位置的目标观测，提供围绕卫星飞行的能力，以便调查、视频检查和评估被损坏的卫星；②再加注燃料，提供延长空间设施寿命的能力；③重新定位，提供将空间设施移动到新位置的能力，包括初次入轨失败以后，将卫星推进到正确轨道，或作为空间拖船，将卫星拖动到另外的位置；④维修，包括固定或修复故障的卫星部件，配置附属部件等；⑤替换或拆卸，包括模块式更换故障的卫星部件，拆下废弃卫星有价值的卫星部件等；⑥从失去功能卫星获取有用部件，在轨道构建成具有功能的新卫星。

机器人补给燃料的任务主要目标是推进机器人服务技术的发展，利用创新的机器人工具和技术的验证，对没有设计机器人操作标准卫星接口的对象实现遥操作。

以机器人为主，地面遥控和航天员辅助的轨道服务能力验证

加拿大研制的“德克斯特”机械臂已于2008年运到“国际空间站”，该机械臂将利用美国航空航天局戈达德空间飞行中心为这项任务定制的“机器人燃料补给任务”卫星服务系统，即模装卫星进行轨道再加注燃料任务的模拟。由于使用的“机器人燃料补给任务”是新装备，因此需要加拿大空间机构进行“德克斯特”操作的软件修改，并通过上行链路注入到“国际空间站”。所设计的“机器人补给燃料任务”是为了完成飞行器的机器人服务进行的必要验证，以推动相关技术发展，但并不是设计为真正的轨道燃料补给和维修。

“机器人燃料补给任务”舱如同洗衣机大小，质量约247.5k g，尺寸为83.8cm×109.2cm×114.3cm，该舱携带约1.34kg乙醇，用于验证轨道的流体输送。该舱采用许多商业和政府卫星都使用的保护性热毯、螺帽、阀门和连接器，还有模拟燃料和其他与服务试验有关的飞行器部件进行试验，其研制经费为2260万美元。

2011年7月，“机器人燃料补给任务”舱装载在阿特兰蒂斯号航天飞机运到空间站，它被挂在空间站外面，然后在航天员的附助下，机器人将其安全地固定在空间站上；不久，又将“机器人燃料补给任务”舱转移，并固定在“德克斯特”的增强轨道置换单元临时平台（EOTP）上，接着航天飞机脱离对接，再利用加拿大机器臂－2（Canadarm－2）和“德克斯特”的协同动作，又将“机器人燃料补给任务”舱转移到为其安排的最后位置，即空间站桁架上的快速处理试验后勤搬运器－4(ELC－4)。等到修改的“德克斯特”软件注入后，在休斯敦约翰逊空间中心的操作人员，开始利用机器臂和工具，进行“机器人燃料补给任务”舱的再加注燃料和维修遥控操作。操作者控制机械臂割开“机器人燃料补给任务”的保护性热毯，拧开燃料帽，然后将模拟燃料乙醇从模装星的一个容器传输到另一个容器里，验证利用现有技术进行燃料再加注。研究人员利用“机器人燃料补给任务”舱和“德克斯特”机器人，专门进行了2年的机器人服务和再加注燃料的验证试验。

美国航空航天局希望“机器人燃料补给任务”的研制活动能推动私营卫星轨道服务工业，并进一步鼓励卫星经营者在未来的卫星上增加敏感器、电子系统和燃料传输能力，为未来的卫星轨道服务打基础。卫星服务能力办公室负责人表示，轨道服务将使卫星寿命延长到足以使卫星经营者获得超过投资的高价值回报。如果卫星投资是5亿～10亿美元，经营者的某种业务使用3～4颗卫星，那么卫星服务大概在经济上是可行的。据估计，每10年大约有88颗卫星在轨道失效，因此，美国航空航天局的验证轨道卫星再加注技术必将推动卫星轨道服务工业的发展。其合作者加拿大麦德联合有限公司卫星服务负责人表示，如果美国航空航天局选择进入在轨卫星服务领域，将具有几近不可超越的竞争优势。该公司“德克斯特”机器人的研制者也正在组建专营公司，决心进入在轨卫星服务领域。

4 军事上在轨拆解与再构建技术

美国国防高级研究计划局提出了“凤凰”（Phoenix）计划，即在轨道上从失去功能的卫星上拆解有用部件，构建新的太空系统。这是涉及已经退役、非专门设计的可控制卫星，即关于留在墓地轨道死亡卫星如何拆解和再利用的问题。

从太空垃圾中挑选诸如卫星天线等有价值的部件进行再利用，可大大降低成本，似乎能应对美国国防部面临的严重预算消减的困境。但更重大、更长远的意义不仅于此，如果这一计划验证成功，空间碎片就能变成空间资源。因此，进行轨道拆解部件和重复再用技术的验证，不但满足国防部未来的需求，也能开拓航天发展的新途径。

发展在轨拆解与再构建技术的动因

拆解卫星部件，特别是拆解静止轨道以上的高轨道卫星难度很大，不但退役卫星本身没有按交会对接要求进行设计，卫星的制造工艺也决定了其拆解难度。为此，美国国防高级研究计划局将研制专门的工具、设备和技术，初期目标是拆解退役卫星天线，最终目的是发展并验证从退役的和不能工作的卫星上获取可重复使用的有价值部件，并以大大降低的成本构建新的空间系统。当静止轨道通信卫星失去工作能力后，移到墓地轨道实际上是一种不确定性保存。卫星虽然废弃了，但卫星上仍有天线、太阳电池翼和其他高价值部件，这些部件比卫星有更长的工作寿命，可以继续使用，然而，目前还没有办法重复使用它们。

美国国防高级研究计划局的“凤凰”计划就是将轨道再用技术变为现实的催化剂计划，发展动力来自许多方面。首先是潜在的可大幅度节省成本，目前卫星的发射成本最少也在数百万美元，而卫星天线和太阳电池翼等往往是构成发射成本的关键因素，省掉这些关键部分，也就省掉了绝大部分发射成本。当轨道上有现成的部件可用于构建新卫星时，可以省去向轨道发射重型部件耗费的成本。同时卫星大型部件研制复杂，轨道再利用方式可免去必要的制造过程，从而免去了研制成本很高和周期很长的部分。任何航天机构、运营公司都会面临轨道上旧卫星衰退、坠落地球的问题，而美国国防高级研究计划局“吃掉”旧卫星，“吐出”新卫星的“凤凰”计划途径不失为创新思路。

“凤凰”计划在轨拆解卫星，主要是重复使用天线等卫星最大、最昂贵的部件。研究和验证从退役和不工作的静止轨道卫星中获得和再用有价值部件的技术，不仅能大大降低卫星成本，更重要的是开拓未来轨道服务活动的新模式，不但可以验证未来轨道服务的先进技术工艺，也可在轨道构建国防部需要的静止轨道卫星系统。

2011年12月，美国国防高级研究计划局发布了该计划第一个大范围公告(BAA)，建议帮助有关机构解决大量技术挑战，为在轨道上捞取卫星部件所需要的技术、工艺和操作尽早进行轨道验证。“有效载荷轨道交付系统”（PODS）也在这个计划中进行设计，以便使商业卫星发射飞行器运输部分安全装载“凤凰”计划的纳卫星。在2015或2016年，美国国防高级研究计划局计划利用机器人至少进行一次静止轨道卫星拆解和再用天线的轨道验证。

“凤凰”计划系统总体技术构想

“凤凰”的技术方案是首先研制一种独立轨道守护器（Tender），或称“柔体机器手”的无人服务飞行器，作为该计划的核心部分。它将最先发射入轨，等待“微小卫星”（Satlets）发射。具有各种功能的“微小卫星”和有关工具装载在“有效载荷轨道交付系统”中，搭载在商业卫星上入轨。

首先，在轨的“有效载荷轨道交付系统”和轨道守护器交会对接，构成飞行器组合，轨道守护器将该飞行器组合推向墓地轨道，那里堆积着不再有用的来自静止轨道的卫星。“有效载荷轨道交付系统”和轨道守护器将变成卫星服务站工具带的一部分，轨道守护器利用其抓取机械臂和专门研制的空间服务工具，从“有效载荷轨道交付系统”内拖拽出多个“微小卫星”。

在墓地轨道某颗卫星的业主允许进行轨道拆解的前提下，轨道守护器将对具体待拆解的卫星定位，由于待拆解的卫星不具备可控制性，因此需要将一种具有控制能力的“微小卫星”挂靠其上，以备施以控制。再通过地球上的技术人员遥控使用轨道守护器，去拆解退役卫星天线等有用部件。一旦天线从卫星上拆解下来，再将另一颗有基本通信功能的“微小卫星”挂靠已拆解下来的天线上，构成具有通信功能的新卫星。随后轨道守护器将新卫星转移到另一个位置，停泊待用，如此循环。

新卫星上的“微小卫星”装有基于零推力机动的姿态控制软件，该软件已经在空间站和美国航空航天局的“示踪”（TRACE）卫星上进行过验证，可以在不使用推力器的情况下，保持卫星稳定的飞行方向。“微小卫星”与拆解的天线连接后，利用自身分布式控制系统和姿态控制能力，实现天线精确定位和精确指向，构成卫星通信功能。

最佳的地基遥操作技术将融进地面和天基的机器人系统，以实现远在36000k m距离之外的通过无线链路控制轨道上的拆解和再组装操作，开辟在轨机器人组装卫星的新途径。如果能证明“凤凰”计划的服务器和柔体部分组成的飞行器的轨道机器人能力是成功的，也能将在轨道上拆解的部件连接到新卫星上，从而支持电源、通信、姿态控制等需要的飞行器功能，那么在轨道上构造一颗卫星需要的时间和投资将是无可比拟的低。当然，这是一个很复杂的过程，操作程序和需要的技术尚待进一步完善。

据粗略估计，目前在静止轨道上有数百颗退役的卫星，对这些废弃卫星的分析得知，它们保有完好和有价值的部件，总价值甚至高达3000亿美元。国防高级研究计划局特别对拆解天线等昂贵部件感兴趣，这些大型部件在太空大量存在，也可视为在很好条件下存放的昂贵部件。“凤凰”计划是在探索传统轨道服务活动之外的途径，特别是促进可为国防部带来利益的后续潜在商业服务的发展。目前，需要制定国防部和工业部门在空间服务任务中都要使用的标准，提供某种独特方法和可验证的测量。

技术挑战和需创新的关键技术

首先，如果没有按可拆卸和维修设计，那么拆解结构和移走部件，并进行轨道组装和测试是难以实现的。特别是由于现有卫星的连接通常采用铸造或焊接方式，需要大功率的切割才能拆解，故抓获、切割和修改复杂系统就要求完全新型的机器人技术和成像技术。另一个挑战就是开发新型遥操作技术，要能够将两个部件靠在一起，使机器手能够将停靠在一起的两个部件进行诸如扣件连接等方式的连接。

在零重力下，所有轨道服务都需要这样的操作过程，也存在着诸多技术障碍。要研制新型的机器人工具，具有灵巧和高效的能力，实现在不损伤部件的前提下拆解卫星部件；要在静止轨道上完成上述功能，需要高度的自主性能力。使用“微小卫星”处理天线后，变成新的功能系统，也是水深莫测，从没有涉猎过。待验证的灵巧操纵机械臂功能，包括天线拆解、交会对接和再构建等，需要反复的工程实践。机械臂和抓捕工具还需要从地面进行遥控。在该任务实施过程中，计划的关键问题是以机器人技术为基础的、由轨道服务器和柔体机器手组成的飞行器组合的研制和使用。

“凤凰”计划涉及到发展大范围监视的技术，好比坐在数千里之外，要看到海底作业的钻井操作。同样，利用在太空可以机动的机器人，人坐在地球上的操作中心施以控制，存在诸多难度。国防高级研究计划局还要求发展下一代地基望远镜网络，从而更精确地观测和跟踪在地球同步轨道上的无数可拆解卫星。这种名为“伽利略”（Galileo）的望远镜系统将提供关于废弃卫星轨道参数和转动状况的足够信息，以确定对某卫星实施拆解是否可行。

另外，还需要部署更加经济可行的大量低成本小卫星，发展国防高级研究计划局提出的分离模块结构体系。该结构体系通过利用资源共享的微卫星簇代替单一的大型卫星，降低卫星系统单点故障的风险，为未来发展生存能力更强的、具有更强自适应性的空间系统做技术准备。预计到2020年左右，在轨收集可再利用的卫星部件、组装经济型卫星或结构并开始投入运行的技术会基本成熟。

创新的关键技术领域需要诸多行业技术的移植和转化，如耐辐射微电子和存储技术，用于自组网连接和地面控制工业电子控制系统分布式无线移动平台技术，微小型制导和控制测量单元，工业机器人终端动作器和工具调换机械和技术，计算机辅助医学机器人微型外科遥现、工具和成像技术，在海面油田和气体钻探工业使用的远程水下成像/视觉技术，大容量微电子和计算机数据存储的地面制造技术，电子装置和系统的地面热管理设计技术，大体积单片金属和其他结构材料的低成本工业制造，各种结构材料的添加制造，等等。

当然，这些退役卫星的部件只有在其所有者同意后方可拆解，因此该计划还有诸多涉及国际航天的规则问题需要解决。

5 空间工业抓住时机，轨道服务商业化前景广阔

对商用或政府卫星实施加注燃料、重新结构或轨道维护等轨道卫星服务概念，似乎是培育有利可图市场的思路，引起了航天工业的关注。

加拿大麦德联合有限公司和国际通信卫星公司的联合计划

2011年3月，国际通信卫星（INTELSAT）公司作为世界上最大的商业卫星通信运营公司和麦德联合有限公司签定协议，投资2.8亿美元为几颗燃料不多但状况尚佳的“国际通信卫星”在轨加注燃料。由该公司设计发射为在轨道上的其他卫星加注燃料的第一个服务飞行器，计划2015年发射。太空交会对接技术成为这一商业计划成功的关键。

麦德联合有限公司投资2亿美元研制的“空间基础设施服务”(SIS)飞行器，依靠交会对接技术对卫星实施燃料再加注，这不仅提供了延长卫星工作寿命的可能，而且所设计的服务卫星将成为第一代商业服务的太空基础设施。“空间基础设施服务”飞行器还可以对卫星检查、拖拉、重新定位和一定程度的维修、升级，因此“空间基础设施服务”除了携带燃料储箱以外，还将装载机械臂，用于抓捕卫星、拖拉安装太阳电池翼和维修故障部件。为卫星加注燃料时，可以将待加注的卫星转移到墓地轨道，由于这一轨道足够高，对静止轨道卫星不会形成风险，加注后再拖回静止轨道。

国际通信卫星公司的意向无疑给这一轨道服务计划增大了发展的砝码。“空间基础设施服务”飞行器将装载2000kg燃料，而国际通信卫星公司同意购买2000k g燃料中的一半。这1000k g燃料可为在静止轨道上正常工作的4～5颗通信卫星延长2～3年寿命。加拿大麦德联合有限公司已经进行了几年的技术开发，如果没有其他客户，国际通信卫星公司需要投资近3亿美元。国际通信卫星公司已同意承担这一客户角色，发射前开始付款，而大多数资金要在证实卫星在轨道上获得具体数量的推进剂以后付给。国际通信卫星公司为了“空间基础设施服务”计划组建了2支队伍，并以此项目作为向美国航空航天局技术验证计划投标的申请，也计划解决组装卫星再加注燃料的结构、发射投资以及执行任务需要在静止轨道弧段持续几个月带来的其他问题，如组装卫星加注燃料的结构，发射和在静止轨道弧段至少持续几个月任务的资金等问题。

然而，该计划还存在诸多问题，例如：假使商业化的轨道服务出现意外，或者加拿大麦德联合有限公司的飞行器损坏了用户卫星，可能在静止轨道上留下碎片等事件发生时谁承担责任等问题还需要进一步解决。由于不确定因素太多，2012年1月两家公司结束了其在2011年3月签署的2.8亿美元的卫星轨道寿命延长服务协议。

“维维卫星”（ViviSat）技术验证

“维维卫星”是2012年初阿连特技术系统（A T K）公司和美国空间公司（LLC）宣布的联合投资项目，这是一个涉及简单技术谱系终端操作项目，研制“任务延长飞行器”（MEV），旨在向静止轨道卫星运营商提供轨道任务延长能力。目前，“任务延长飞行器”按计划进入设计阶段，该飞行器可附着在卫星上，甚至代替卫星保持在轨运行，从而使卫星在燃料耗尽后能够延长寿命。

商业公司纷纷加入“凤凰”计划

（1）阿蒂斯（Altius）空间机械公司

阿蒂斯空间机械公司为“凤凰”计划研制和集成可展开、可收拢的管状臂（STEM），管状臂作为态势感知摄像机和光照的平台，也作为部件拆解和再构操作期间减少目标飞行器部件不良震动的手段。管状臂利用复合材料，构成能从存储盘卷中拉出管线的保护管，使得长臂可以展开，也能收拢进紧凑的壳子中。管状臂的管和展开硬件由Roccor LLC公司研制，安装在臂顶端摄像机和敏感器装置由Ecliptic公司研制，科罗拉多大学研究随动控制算法和机器人控制软件。阿蒂斯空间机械公司正在研究利用粘性桁架对非合作目标进行捕获的技术所需的交会对接方案，可用于空间站、推进剂库、载人航天、卫星服务和其他应用。

（2）“蜜蜂”（Honeybee）机器人飞行器机械公司

该公司研制能用于卫星交会对接的新型机器人、多种类型的抓捕器和端点动作器。第一阶段研制和交付两种不同类型的端点动作器样机，能使服务卫星在静止轨道与通信卫星对接并施以操作。劳拉空间系统(SS/L)公司研究确定什么样的小卫星可以作为商业卫星搭载的有效载荷，分析和确定整个计划的关键系统，特别是研究和验证协作性拆解和重复利用的关键技术。

（3）阿连特技术系统公司

“凤凰”计划的集成承包商海军研究实验室(NRL)希望阿连特技术系统公司能够改造现在由美国研制、美国政府拥有的静止轨道卫星平台，用于“凤凰”任务。阿连特技术系统公司研制的新平台能支持最少1年的试验，进行机器人交会和接近操作、抓捕目标和维修机器人技术等验证，将于2014年10月交付给海军研究实验室，用于飞行器的总装和试验。2006－2011年，国防高级研究计划局为该公司投入6000万美元研制“近期能验证的前端机器人”（FREND）。阿连特技术系统公司和马里兰大学空间系统实验室(SSL)合作，研发机器人服务工具和软件，实现非功能卫星上天线和其他可用部件的拆解。ATK公司研制的硬件包括卫星捕获工具（SCT）和孔径抓获、服务工具（AGST）。这些工具主要提供卫星抓获和控制以及拆解操作等应用。

阿连特技术系统公司和美国空间公司在合作研制“维维卫星”，研制延长飞行器，目标是实现“任务延长飞行器”和待拆解卫星的机器人对接，下一步再设计成轨道服务，轨道服务可以使用户卫星任务延长至15年。结合阿连特技术系统公司机器人交会和接近操作（RPO）实验室的新工艺技术，可以为促进国防高级研究计划局的研制技术，并形成适用于具体商业和军事用户的新能力提供手段。在过去20年里，阿连特技术系统公司为轨道服务研制了140套工具，有效地支持了载人和机器人服务飞行器，并继续保持在卫星服务工具和技术发展领域的领先地位。

（4）极光（Aurora）飞行科学公司

该公司为“凤凰”计划研制“微小卫星”的构型。极光飞行科学公司和麻省理工学院（MIT）、喷气推进实验室（JPL）合作研制用于“微小卫星”自身定位到退役飞行器天线的附着机构样机。极光飞行科学公司还计划研制实现天线精确定位和精确指向的分布式控制系统，该公司还负责“微小卫星”的设计和总装，以及样机试验。麻省理工学院将提供控制部分设计的专门技术和“微小卫星”指向天线所需要的微推进技术。喷气推进实验室则负责相关的软件开发、验证和测试。

（5）其他公司的轨道服务技术

国际通信卫星公司研制向轨道运送微小卫星所需要的接口，这些微小卫星将作为该公司大型商业通信卫星的搭载有效载荷发射。Nova Wurk s公司研制超级集成化的“微小卫星”系统。喷气推进实验室将提供称为“壁虎爪”的抓捕器。劳拉空间系统公司研究在商业通信卫星发射时如何搭载运送微小卫星到静止轨道，然后再从搭载有效载荷的装置中拖拽这些微小卫星的途径和技术方案。