李新剛 裴勝偉

（中國空間技術研究院，北京 100094）

1 引言

長壽命、高可靠是新一代地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星平臺的重要特征，而其推進劑裝填量則是制約衛(wèi)星壽命的主要因素。歐洲航天局（ESA）對地球靜止軌道目標的分類報告統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，2008年有10顆在軌地球靜止軌道通信衛(wèi)星因燃料耗盡而壽命終止，2010年此數(shù)量增加到16 顆，其中僅11顆正常離軌，未來十年內地球靜止軌道衛(wèi)星年失效數(shù)量仍將保持快速增長態(tài)勢。在軌延壽與離軌技術是通過發(fā)射延壽飛行器與失效衛(wèi)星對接，采用輔助控制或燃料加注等方法，恢復其姿軌控能力并延長其壽命，對無延壽價值的衛(wèi)星則將其推離軌道，因此，在軌延壽與離軌技術對于增加地球靜止軌道衛(wèi)星運行效益及保護靜止軌道資源具有重要作用。

在軌延壽與離軌技術的關鍵是延壽飛行器自主捕獲目標衛(wèi)星并實現(xiàn)剛性連接，由于目標衛(wèi)星既可能是合作目標，又可能是非合作目標，還可能是失效衛(wèi)星，延壽飛行器的在軌捕獲方案中，必須充分考慮對目標衛(wèi)星的相對測量精度、自主交會與捕獲能力、捕獲機構的通用性以及較高的誤差冗余能力和高可靠性等重要因素。本文主要針對國外地球靜止軌道延壽飛行器的在軌捕獲方案，進行了歸納和比較分析，目的是跟蹤在軌捕獲技術的發(fā)展趨勢，為我國開展該領域的研究工作提供參考。

2 國外在軌捕獲技術

迄今為止，在軌捕獲機構設計方案主要有如下三種形式：利用伸縮桿捕獲目標衛(wèi)星的發(fā)動機噴管；利用飛網(wǎng)或飛爪捕獲目標衛(wèi)星；利用機械臂捕獲目標衛(wèi)星的特定結構。

2．1 伸縮桿捕獲方案

圖1 CX-OLEV 的在軌捕獲示意圖Fig．1 On-orbit capture of CX-OLEV

美國軌道復活公司（ORC）和英國軌道復活有限公司（ORL）共同研制了一種名為錐型車-軌道延壽飛行器（CX-OLEV）［1-2］，CX-OLEV 可以同三軸穩(wěn)定的地球靜止軌道衛(wèi)星相結合，取代原衛(wèi)星的姿態(tài)和軌道控制系統(tǒng)，能為質量在3000kg以下的衛(wèi)星延長10 年工作壽命。CX-OLEV 飛行器充分利用了目標衛(wèi)星的遠地點發(fā)動機噴管和星箭對接環(huán)的結構特點，設計通用型對接捕獲機構（圖1）。其捕獲對接機構由兩部分組成：一部分是遠地點發(fā)動機噴嘴的捕獲機構，其主體結構為雙桿可膨脹捕獲裝置，由可伸縮雙絲桿機構和機械固定機構組成，在CX-OLEV 沿目標衛(wèi)星發(fā)動機噴嘴軸線方向足夠靠近目標時，雙絲桿機構在驅動馬達的作用下便沿軸線方向伸展，將可膨脹捕獲裝置送入目標衛(wèi)星的發(fā)動機噴嘴內部，隨后，可膨脹結構展開并實現(xiàn)與目標星的連接；另一部分是三套獨立的星箭對接環(huán)鎖緊機構，沿CX-OLEV 的對接面圓周方向呈120°的等角距分布，鎖緊機構在執(zhí)行任務之前呈折疊狀態(tài)，當捕獲機構將兩航天器距離縮小到鎖緊機構的作業(yè)距離范圍之內時，鎖緊機構打開，并捕獲目標衛(wèi)星的星箭對接環(huán)，兩個相配合的鎖緊鉤分別從對接環(huán)內部和外部收緊，當鎖緊機構完成鎖緊之后，兩星之間的相對位置和姿態(tài)即被確定。

歐洲軌道衛(wèi)星服務公司（OSSL）利用歐洲航天局靈巧-1（Smart-1）衛(wèi)星平臺，開發(fā)靈巧-軌道延壽飛行器（SMART-OLEV）［3］，為地球靜止軌道通信衛(wèi)星提供延壽服務。SMART-OLEV 采用了CXOLEV 的延壽技術，也是利用目標衛(wèi)星的遠地點發(fā)動機噴管和星箭對接環(huán)進行在軌捕獲（圖2）。

圖2 SMART-OLEV 的在軌捕獲示意圖Fig．2 On-orbit capture sketch of SMART-OLEV

2011年，美國空間有限責任公司和阿聯(lián)特技術系統(tǒng)公司（ATK）宣布成立維維衛(wèi)星公司（ViviSat），針對地球靜止軌道衛(wèi)星開展在軌延壽業(yè)務。目前該公司提出了任務延壽飛行器（MEV）設計方案（圖3），MEV 飛行器能與目標衛(wèi)星交會對接和鎖緊，為其提供備份推進系統(tǒng)功能或執(zhí)行離軌操作。

圖3 ViViSat公司的MEV在軌延壽系統(tǒng)在軌捕獲示意圖Fig．3 On-orbit capture sketch of MEV life extend system by ViViSat Corp．

2．2 機械臂捕獲方案

為實現(xiàn)奧林匹斯（Olympus）衛(wèi)星和Anik-E衛(wèi)星的在軌修復，1994年歐洲航天局提出了地球靜止軌道服務飛行器（GSV）的研究計劃［4-7］，GSV 將空間機械臂作為執(zhí)行機構，方案設計階段提出了單機械臂和雙機械臂的配置方案，如圖4所示。GSV 主要以目標星的軌控發(fā)動機噴嘴和對接環(huán)為捕獲接口。

試驗衛(wèi)星服務系統(tǒng)（ESS）是ESA 開展的另外一個地球靜止軌道衛(wèi)星在軌服務系統(tǒng)研究項目［8］，目標是將遙控空間機械臂ROTEX 中已經(jīng)驗證的遙機械臂思想用于衛(wèi)星在軌服務，ESS 以GEO 故障衛(wèi)星為目標，將其遠地點發(fā)動機圓錐形噴管作為捕獲目標。ESS飛行器的六自由度機械臂系統(tǒng)重70kg，長4．5m，借助于實時視頻圖像、6 個激光測距儀和力傳感器，自動捕獲目標衛(wèi)星的遠地點發(fā)動機。針對失效的電視衛(wèi)星-1（TV-Sat-1），利用ESS進行在軌修復的方案設想如下（圖5）：ESS接近TV-Sat-1衛(wèi)星直到可捕獲范圍，移動機械臂跟蹤并插入遠地點發(fā)動機噴管，捕獲目標衛(wèi)星后通過對接機構與TV-Sat-1衛(wèi)星對接，機械臂可從噴管中抽出，通過機械臂末端的工具交換，展開TV-Sat-1衛(wèi)星的太陽翼并拉伸被卡住的天線。

圖4 GSV 系統(tǒng)捕獲機構布局示意圖Fig．4 Single and double arm capture mechanism layout sketch of GSV system

圖5 ESS系統(tǒng)Fig．5 ESS

1997年，日本發(fā)射了工程試驗衛(wèi)星-7（ETSVII），進行空間自主交會對接和機械臂操作關鍵技術驗證［9］，ETS-VII系統(tǒng)由服務星和目標星組成，六自由度的空間機械臂安裝在服務星上，ETS-VII系統(tǒng)入軌后，成功實現(xiàn)了服務星和目標星的分離和在軌捕獲（圖6）。

圖6 ETS-VII系統(tǒng)的在軌捕獲對接示意圖Fig．6 On-orbit capture and docking sketch of ETS-VII

德國航空航天研究院（DLR）與俄羅斯聯(lián)合開展了空間系統(tǒng)演示與驗證技術衛(wèi)星（TECSAS）項目［10］，目標是進行先進的空間維護與服務關鍵技術的在軌演示驗證，特別是對接和基于機械臂的捕獲技術（圖7）。俄羅斯的多用途軌道推進平臺提供軌道轉移和交會對接的機動，DLR 提供機械臂系統(tǒng)完成在軌捕獲。

加拿大的麥克唐納·迪特維利聯(lián)合有限公司（MDA）為“國際空間站”研制了先進的空間機械臂系統(tǒng)，采用該機械臂系統(tǒng)，宇航員在1992年成功捕獲并修復了國際通信衛(wèi)星-1（Intelsat-1），此外該系統(tǒng)還參與了哈勃號望遠鏡的修復工作。MDA 公司提出了利用空間機械臂對地球靜止軌道壽命末期衛(wèi)星進行燃料加注延壽的設想（圖8），首先利用空間機械臂抓捕目標衛(wèi)星遠地點發(fā)動機噴管，然后打開目標衛(wèi)星的注排閥門，最后插入軟管泵入適量燃料，此外，此系統(tǒng)還具備一些簡單的維修功能，能夠排除諸如太陽翼展開等故障。

圖7 TECSAS在軌捕獲示意圖Fig．7 On-orbit capture sketch of TECSAS

圖8 MDA 公司的GEO 在軌延壽系統(tǒng)在軌捕獲示意圖Fig．8 On-orbit capture sketch of GEO life extension system by MDA Corp．

美國國防預先研究計劃局（DARPA）發(fā)起了全能軌道操縱飛行器（SUMO）／前端機器人使能近期演示驗證（FREND）項目［11-14］，對地球靜止軌道衛(wèi)星的在軌服務可行性進行驗證。FREND 的設計方案中不需要目標飛行器提供特定抓捕裝置和反射標志，可直接服務于A2100、BSS601、BSS702 以及LS1300等大型GEO 衛(wèi)星平臺。SUMO 在設計中采用多支機械臂與視頻立體成像相互配合，利用目標衛(wèi)星的星箭連接口（如適配器對接環(huán)及其螺栓孔）進行捕獲，具有較強的自主交會與捕獲能力。以SUMO 捕獲“寬帶全球通信衛(wèi)星”（WGS）為例（圖9）：當SUMO 和WGS 衛(wèi)星的相對距離小于1．5m 時，SUMO 的機械臂開始工作，機械臂上的末端作動器伸入到WGS衛(wèi)星與運載火箭適配器連接的螺栓孔之中，張開螺栓孔鉗以鎖死連接，同時機械臂將進入“固化”狀態(tài)，實現(xiàn)SUMO 和WGS衛(wèi)星的剛性連接。

圖9 FREND／SUMO 的在軌捕獲示意圖Fig．9 On-orbit capture sketch of FREND／SUMO

2．3 飛網(wǎng)或飛爪捕獲方案

ESA 自2001年提出了用飛網(wǎng)抓捕地球靜止軌道廢棄衛(wèi)星的自主地球靜止軌道回收器（ROGER）項目［15-16］。ESA 計劃利用ROGER 系統(tǒng)開展以下兩方面研究：利用ROGER 飛網(wǎng)抓捕機構清除地球同步軌道上的失效衛(wèi)星，并轉移到墳墓軌道；利用ROGER 繩系飛爪抓捕未進入正常軌道的地球同步軌道衛(wèi)星，并將其送入預定工作軌道，如圖10所示。

圖10 ROGER 系統(tǒng)的在軌捕獲示意圖Fig．10 On-orbit capture sketch of ROGER System

3 在軌捕獲技術分析

綜上所述，歐美各國在地球靜止軌道延壽飛行器方案中采用的在軌捕獲技術特點如表1所示。

從表1中可以看出采用機械臂進行在軌捕獲的技術發(fā)展?jié)摿ψ畲螅钱斀裱芯吭谲壊东@的主流技術，該技術的主要特點如下：

（1）靈活、多任務支持能力。目標衛(wèi)星既有保持對地定向的健康衛(wèi)星，也有處于翻滾狀態(tài)的故障衛(wèi)星，需要提供的服務包括延壽、離軌和維修等任務。其中最具有價值的在軌服務是修復那些部分功能失效的衛(wèi)星，如天線或太陽翼未完全展開等情況，因此在軌捕獲方案的選擇應將在軌維修任務需求放在首位，上述三類方案中只有機械臂形式能夠充分滿足這一需求。

（2）適應目標能力強，對目標無特定接口要求，支持非合作衛(wèi)星捕獲。目前國內外衛(wèi)星平臺設計各異，尚未有國際化的標準接口規(guī)范，采用機械臂形式，可根據(jù)衛(wèi)星的結構特點靈活確定衛(wèi)星的捕獲位置。目前在軌的衛(wèi)星絕大部分為非合作目標，通過機械臂可以設計各種捕獲方案，使用更加靈活。

（3）相對位置及姿態(tài)的測量和控制誤差冗余能力強，系統(tǒng)安全性高。具有多自由度和柔性的機械臂可與目標衛(wèi)星柔性對接，從而降低與目標衛(wèi)星之間的沖擊，容許捕獲過程中存在較大的位置和姿態(tài)誤差，此外設計較長的機械臂，也可以確保與目標之間保持一定的安全距離。

表1 國外典型在軌捕獲技術對比Table 1 Comparison of abroad typical on-orbit capture technologies

（4）技術發(fā)展迅速，相關技術已在軌應用。機械臂的機構設計、驅動控制、動力學建模等技術在非航天領域發(fā)展迅速，這些技術通過空間環(huán)境適應性改造可以用于在軌捕獲?？臻g機械臂作為“國際空間站”的核心部件，已完成了大量的在軌組裝任務?？梢姍C械臂雖結構復雜，但相關技術的支撐性非常好。

研究和分析在軌捕獲過程的動力學特性也尤為關鍵，捕獲過程的動力學模型建模需要同時考慮相對軌道運動、相對姿態(tài)運動和捕獲機構的運動，還應考慮捕獲時可能發(fā)生的剛性碰撞動力學過程。精確的動力學模型可以用來驗證相對軌道與姿態(tài)運動控制算法、捕獲對接規(guī)劃策略以及交會避撞策略等。驗證捕獲對接動力學模型正確性和運動控制算法可以開展地面半物理試驗，采用氣浮平臺創(chuàng)建一個無摩擦的平面仿真環(huán)境，如美國斯坦福大學的雙臂自由飛行空間機器人系統(tǒng)，日本大阪大學的空間機器人實驗系統(tǒng)，以及加拿大空間站遙操作機械臂系統(tǒng)（SRMS）的地面實驗系統(tǒng)。

國內對新興的基于空間機械臂技術的在軌服務技術越來越重視，為了滿足未來空間站在軌組裝、航天器在軌維護等任務的技術需求，我國已開展了空間機器人的研制工作，多項技術取得突破，如建立了大型六自由度空間交會地面仿真實驗系統(tǒng)，研制了一批空間目標相對測量設備，完成了空間機械手抓捕執(zhí)行機構原型樣機研制，成功進行了飛船與空間實驗室交會對接等，這些研究成果均可用于機械臂在軌捕獲技術的發(fā)展。此外，由于國內在軌服務技術的研究以低軌航天器為主，針對高軌衛(wèi)星的研究較少，建議對高軌和低軌空間環(huán)境差異、衛(wèi)星設計差異、軌道姿態(tài)控制差異等進行深入分析，通過適應性改進，將低軌衛(wèi)星的在軌服務技術用于高軌衛(wèi)星，以此加快推動高軌衛(wèi)星在軌服務技術早日進入應用階段。

4 結論

歐美各國針對地球靜止軌道衛(wèi)星的在軌延壽需求，提出了各種各樣的延壽飛行器方案，其中在軌捕獲機構主要有如下三種形式，利用伸縮桿捕獲目標衛(wèi)星的發(fā)動機噴管，利用飛網(wǎng)或飛爪捕獲目標衛(wèi)星以及利用機械臂捕獲目標衛(wèi)星的特定結構。通過對比分析，采用機械臂捕獲機構，捕獲時機械臂的空間運動自由度較高，可以對目標衛(wèi)星的多個部位進行捕獲，還可以利用機械臂對故障衛(wèi)星進行在軌維修，因此，這種機械臂捕獲機構在目前延壽飛行器方案中采用的最多，通用性和誤差冗余能力均比較好。國內空間機器人技術的進展迅速，我國在開展地球靜止軌道延壽飛行器的方案設計時，可采用通用性好的空間機械臂作為在軌捕獲機構，以滿足在軌延壽、離軌和在軌維修等任務需求。

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