楊自鵬,胡聲超,周佑君,張緒斌,周文勇

(北京宇航系統(tǒng)工程研究所,北京100076)

0 引言

隨著空間技術(shù)的迅速發(fā)展,人類開(kāi)發(fā)空間、利用空間的步伐越來(lái)越快,航天系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜,規(guī)模也越來(lái)越大。由于航天任務(wù)高成本、高風(fēng)險(xiǎn)的特點(diǎn),一旦不能入軌或入軌后發(fā)生嚴(yán)重故障,將導(dǎo)致巨大損失。因此,從第一顆航天器上天起,在軌服務(wù)技術(shù)即引起了各航天國(guó)家的重視,開(kāi)展了大量的研究和試驗(yàn),試圖在空間通過(guò)人、機(jī)器人或兩者協(xié)同操作,以延長(zhǎng)航天器壽命,提升執(zhí)行任務(wù)能力及清除軌道垃圾等[1-3]。在軌服務(wù)是一種效率驅(qū)動(dòng)型的技術(shù),可以大大降低航天器的全壽命周期成本,使得不可維護(hù)的高可靠性工業(yè)產(chǎn)品變成可維護(hù)的工業(yè)產(chǎn)品;同時(shí)還將引起傳統(tǒng)航天器設(shè)計(jì)理念的變化,即航天器設(shè)計(jì)向低冗余度、低成本和高可維護(hù)性方向發(fā)展。

目前的航天器基本上都未考慮接受在軌服務(wù)的能力,普遍采用“整體式設(shè)計(jì)、一次性使用”的設(shè)計(jì)思想,從而使得飛行器接受服務(wù)存在較大難度,難以實(shí)現(xiàn)在軌維護(hù)的一些空間操作。未來(lái)的航天器將普遍應(yīng)用接受在軌服務(wù)設(shè)計(jì),引入標(biāo)準(zhǔn)機(jī)電熱接口、模塊化可更換接口、在軌加注接口、可重構(gòu)智能系統(tǒng)等概念,其中模塊化是提升航天器接受在軌服務(wù)能力的有效手段[4]。模塊化技術(shù)這一工業(yè)界所普遍采用的“化繁為簡(jiǎn)、聚零為整”的技術(shù)[5],目前廣泛應(yīng)用于汽車、計(jì)算機(jī)等工業(yè)領(lǐng)域,它的核心思想是將龐大系統(tǒng)分解為復(fù)雜程度較低的子系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)、生產(chǎn),再將各子系統(tǒng)集成為完整系統(tǒng)。本文開(kāi)展了航天器在軌服務(wù)模式分析及發(fā)展思考,在提出多任務(wù)智能航天器方案構(gòu)想的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步分析了演示驗(yàn)證在軌服務(wù)航天器的總體參數(shù),并初步規(guī)劃了飛行任務(wù)剖面,以先期驗(yàn)證在軌服務(wù)航天器執(zhí)行多任務(wù)的能力。

1 在軌服務(wù)技術(shù)概述

1.1 在軌服務(wù)技術(shù)分類

為了保證航天器在空間環(huán)境中高質(zhì)量地在軌運(yùn)行,“在軌服務(wù)”概念應(yīng)運(yùn)而生。航天器在軌服務(wù)是指在太空通過(guò)人、機(jī)器人(或類機(jī)器人衛(wèi)星)或兩者協(xié)同來(lái)完成涉及延長(zhǎng)衛(wèi)星、空間平臺(tái)、空間站附屬艙和空間運(yùn)載器等航天器壽命,提升其執(zhí)行任務(wù)能力的一類空間操作。主要包括在軌裝配、在軌維護(hù)和后勤支持3類,內(nèi)容涵蓋軌道轉(zhuǎn)移、在軌組裝、空間碎片清理等廣闊領(lǐng)域(見(jiàn)圖1)。

圖1 在軌服務(wù)任務(wù)分類示意圖Fig.1 The diagram of on-orbit service classification

1.2 國(guó)內(nèi)外近期研究進(jìn)展

自1973年人類歷史上第一次出艙對(duì)太陽(yáng)能電池翼和艙外熱控進(jìn)行修復(fù)以來(lái),在軌服務(wù)技術(shù)已經(jīng)歷了40多年的發(fā)展。美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)是開(kāi)展在軌服務(wù)技術(shù)驗(yàn)證的先行者[6],俄羅斯、歐空局(ESA)、加拿大、德國(guó)、日本等先后開(kāi)展了自主交會(huì)對(duì)接、自主捕獲、在軌加注、在軌維修、在軌模塊更換、輔助入離軌和碎片清理等相關(guān)內(nèi)容的在軌服務(wù)計(jì)劃,并完成了多方面的試驗(yàn)驗(yàn)證。美國(guó)DARPA開(kāi)展的軌道快車(Orbital Express)計(jì)劃,完成了航天器與衛(wèi)星的自主交會(huì)和對(duì)接工作[7];日本JAXA的工程技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星ETS-VII驗(yàn)證了空間機(jī)器人在軌抓捕技術(shù),利用機(jī)器人手臂進(jìn)行配件更換、燃料補(bǔ)給、桁架結(jié)構(gòu)和試驗(yàn)天線在軌組裝等任務(wù)[8];德國(guó)宇航中心DLR、加拿大航天局CSA、俄羅斯航天局RKA合作的空間系統(tǒng)演示驗(yàn)證技術(shù)衛(wèi)星TECSAS,用于驗(yàn)證空間機(jī)器人的GEO目標(biāo)追蹤、接近和交會(huì)、抓捕、穩(wěn)定等在軌服務(wù)技術(shù)[9],于2006年9月停止,轉(zhuǎn)而啟動(dòng)德國(guó)在軌服務(wù)任務(wù)DEOS項(xiàng)目。在軌服務(wù)技術(shù)將成為航天技術(shù)發(fā)展的重要方向,下面介紹幾個(gè)近期在軌道運(yùn)輸、在軌組裝或制造、在軌維修或升級(jí)等方面的典型項(xiàng)目。

1.2.1 無(wú)人延壽飛行器(MEV)

“無(wú)人延壽飛行器”(MEV)是地球靜止軌道衛(wèi)星延壽項(xiàng)目(見(jiàn)圖2),采用Orbital ATK公司的GEOStar3平臺(tái)與“天鵝座”(Cygnus)交會(huì)對(duì)接技術(shù)。MEV的設(shè)計(jì)壽命是15～20年,將執(zhí)行3～4次任務(wù)[10],在MEV飛行器與地球靜止軌道(GEO)目標(biāo)衛(wèi)星交會(huì)對(duì)接形成剛性連接的組合體后,為目標(biāo)衛(wèi)星提供1～5年延壽任務(wù),同時(shí)還可以執(zhí)行輔助離軌任務(wù)。

圖2 MEV在軌服務(wù)Fig.2 MEV on-oribit service

1.2.2 “蜻蜓”(Dragonfly)

“蜻蜓”是“鳳凰”計(jì)劃在2015年的衍生工程項(xiàng)目之一,歸屬NASA“新興空間能力轉(zhuǎn)折點(diǎn)”系列專題[10],計(jì)劃2020年后實(shí)現(xiàn)在軌演示驗(yàn)證。該項(xiàng)目旨在克服發(fā)射限制,將封裝發(fā)射的標(biāo)準(zhǔn)組件在軌組裝與重構(gòu)大型固體射頻反射器,演示在軌自主裝配天線,提高衛(wèi)星固體發(fā)射器的數(shù)量和尺寸,改變現(xiàn)有衛(wèi)星的裝配模式(見(jiàn)圖3)。目前“蜻蜓”項(xiàng)目處于地面演示及關(guān)鍵設(shè)計(jì)階段,尚無(wú)技術(shù)細(xì)節(jié)可查。

圖3 “蜻蜓”在軌自主裝配天線Fig.3 Dragonfly on-orbit independently assembled the antenna

1.2.3 “建筑師”(Archinaut)

2015年年底,NASA資助商業(yè)公司發(fā)展“多功能空間機(jī)器人精密制造與裝配系統(tǒng)”,又名“建筑師”技術(shù)平臺(tái),可在軌自主制造并組裝航天器系統(tǒng)[10],從根本上改變航天器制造的方法,打破發(fā)射限制,降低成本與風(fēng)險(xiǎn)?！敖ㄖ煛庇?jì)劃安裝在空間站艙外,利用已驗(yàn)證的3D打印技術(shù)進(jìn)行在軌增材制造、通信衛(wèi)星反射器制造與裝配或在軌機(jī)械維修等(見(jiàn)圖4)。

圖4 “建筑師”在軌制造、組裝Fig.4 Archinaut on-orbit manufactured and assembled components

1.2.4 “地球同步軌道衛(wèi)星自主服務(wù)”(RSGS)

2015年,“地球同步軌道衛(wèi)星自主服務(wù)”(RSGS)作為“鳳凰”的衍生項(xiàng)目(見(jiàn)圖5)[10],以實(shí)現(xiàn)GEO衛(wèi)星的自主在軌檢查、維修、重定位和升級(jí)等多項(xiàng)在軌服務(wù)能力。該項(xiàng)目計(jì)劃在2021年發(fā)射,在軌完成6～9個(gè)月演示任務(wù)后,再開(kāi)展為商業(yè)和客戶衛(wèi)星提供有償?shù)脑谲壏?wù)。

圖5 RSGS概念圖Fig.5 The concept diagram of RSGS

我國(guó)在航天器在軌服務(wù)技術(shù)的研究處于起步階段,但發(fā)展迅速。天宮飛行器與神舟飛船開(kāi)展了交會(huì)對(duì)接、在軌維修、故障診斷等技術(shù)試驗(yàn);“遨龍一號(hào)”空間碎片主動(dòng)清除器,旨在驗(yàn)證機(jī)械臂抓取廢棄衛(wèi)星和空間碎片并將其拋入大氣層燒毀;“天源一號(hào)”在軌加注衛(wèi)星,開(kāi)展了基于表面張力貯箱的在軌加注試驗(yàn),驗(yàn)證了微重力循環(huán)加注流體管理、加注燃料貯箱等多項(xiàng)太空燃料補(bǔ)充加注技術(shù)。上述在軌服務(wù)項(xiàng)目的開(kāi)展,標(biāo)志著我國(guó)已具有構(gòu)建面向在軌服務(wù)的航天技術(shù),為推動(dòng)軌道運(yùn)輸、在軌組裝、在軌加注及空間碎片清除等空間在軌服務(wù)技術(shù)的發(fā)展邁出了堅(jiān)實(shí)有力的一步。

2 在軌服務(wù)模式

航天器的發(fā)展在不同時(shí)期設(shè)計(jì)理念及思路不同,其可接受在軌服務(wù)的方式及程度不同。從在軌服務(wù)的實(shí)現(xiàn)方式上來(lái)說(shuō),航天器在軌服務(wù)主要包括有人在軌服務(wù)和自主在軌服務(wù)兩類[2]。由于自主在軌服務(wù)代表未來(lái)的發(fā)展方向,本文僅對(duì)自主在軌服務(wù)航天器的在軌服務(wù)模式進(jìn)行分析。

2.1 非合作式服務(wù)接口

早期研制的航天器根據(jù)任務(wù)需求進(jìn)行整體設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和組裝,一般沒(méi)有在軌服務(wù)接口,一旦入軌則接受在軌服務(wù)難度較大,往往某一部件或分系統(tǒng)損壞就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)航天器報(bào)廢。

在軌服務(wù)航天器需為目標(biāo)對(duì)象量身定制專門(mén)的機(jī)械對(duì)接接口(包帶或其他可夾持接口),便于在軌完成交會(huì)對(duì)接組成剛性組合體。針對(duì)此類航天器,服務(wù)模式大致分為以下幾種:

1)若未進(jìn)入預(yù)定軌道或出現(xiàn)嚴(yán)重故障報(bào)廢,提供軌道轉(zhuǎn)移服務(wù),輔助其進(jìn)入預(yù)定軌道或離軌服務(wù);

2)若僅燃料即將耗盡,提供動(dòng)力模塊,延長(zhǎng)航天器在軌運(yùn)行姿態(tài)維持;

3)若僅天線、相機(jī)等載荷出現(xiàn)故障,提供載荷模塊,彌補(bǔ)原航天器的功能缺失。

2.2 合作式服務(wù)接口

近年來(lái),隨著空間交會(huì)對(duì)接、空間機(jī)器人等技術(shù)的進(jìn)步,自主在軌服務(wù)逐漸在航天活動(dòng)中進(jìn)行驗(yàn)證。自主在軌服務(wù)技術(shù)的實(shí)施預(yù)期可降低任務(wù)成本,但是對(duì)目標(biāo)航天器的可服務(wù)性也提出了較高的要求。

在軌服務(wù)航天器與此類航天器根據(jù)接受在軌服務(wù)特點(diǎn)約定著不同的接口,包括機(jī)械對(duì)接接口(包帶接口或其他形式交會(huì)對(duì)接接口)、電氣接口、在軌加注接口等。針對(duì)此類航天器,在上述服務(wù)模式基礎(chǔ)上,還包括以下幾種:

1)若僅燃料即將耗盡,提供在軌加注,延壽服務(wù);

2)若僅天線、相機(jī)等載荷出現(xiàn)故障,提供在軌維修、升級(jí)或模塊更換,功能恢復(fù)或提升服務(wù);

3)針對(duì)限于運(yùn)載器規(guī)模需在軌組裝的航天器,提供在軌組裝服務(wù);

4)針對(duì)降低微小衛(wèi)星進(jìn)入中高軌門(mén)檻,提升微小衛(wèi)星快速組網(wǎng)能力,提供“Wifi”在軌服務(wù)平臺(tái),為其提供通信中繼等服務(wù)。

在軌服務(wù)航天器的輔助入軌、延壽或功能修復(fù)等功能具有顯著的經(jīng)濟(jì)價(jià)值,離軌服務(wù)提升了對(duì)有限的空間軌道資源的利用率,輔助離軌技術(shù)的應(yīng)用減少了由于航天器解體導(dǎo)致大量空間碎片對(duì)其他航天器的威脅。

3 在軌服務(wù)發(fā)展思考

世界各航天強(qiáng)國(guó)及組織均在在軌服務(wù)技術(shù)領(lǐng)域開(kāi)展了大量研究,已有多個(gè)項(xiàng)目完成了在軌飛行演示驗(yàn)證。分析各國(guó)發(fā)展現(xiàn)狀可知:

1)地球靜止軌道是一條軌道資源極其珍貴的獨(dú)特軌道,高軌衛(wèi)星價(jià)值也非常高,因此高價(jià)值的高軌資源直接決定了GEO衛(wèi)星作為在軌服務(wù)的優(yōu)先對(duì)象。

2)部分項(xiàng)目已完成在軌驗(yàn)證,其中低軌居多,高軌較少。

3)接管延壽是在軌服務(wù)的基礎(chǔ),已呈商業(yè)化之勢(shì),在軌加注、模塊更換、在軌維修等拓展功能也正在發(fā)展中。

經(jīng)統(tǒng)計(jì),2016—2017年國(guó)際宇航發(fā)射任務(wù)共計(jì)176次,其中直接入軌發(fā)射的空間運(yùn)輸共計(jì)35次,占全部宇航發(fā)射任務(wù)的20%。結(jié)合目前商業(yè)航天發(fā)展迅猛的態(tài)勢(shì),未來(lái)衛(wèi)星、探測(cè)器等載荷對(duì)直接入軌、星座組網(wǎng)、各種空間科學(xué)試驗(yàn)等需求將呈高速增長(zhǎng)的趨勢(shì),因此具備多星部署能力的運(yùn)載器在多星發(fā)射方面將具有巨大的市場(chǎng)需求。

結(jié)合世界各航天強(qiáng)國(guó)在在軌服務(wù)技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)展與多星發(fā)射的高速增長(zhǎng)趨勢(shì),多任務(wù)在軌服務(wù)航天器可采取以下發(fā)展思路:

第一步,以“姿軌控功能正常、燃料即將耗盡的客戶星”為服務(wù)目標(biāo),研制具備將有效載荷送入預(yù)定軌道,與合作目標(biāo)自主交會(huì)對(duì)接,提供長(zhǎng)壽命高可靠姿軌控能力的多任務(wù)在軌服務(wù)航天器,完成飛行演示驗(yàn)證;

第二步,利用航天器軌道機(jī)動(dòng)能力,通過(guò)交會(huì)對(duì)接測(cè)量設(shè)備,對(duì)準(zhǔn)(非)合作目標(biāo)進(jìn)行交會(huì)、逼近、對(duì)接等拓展任務(wù),進(jìn)一步驗(yàn)證對(duì)準(zhǔn)(非)合作目標(biāo)在軌服務(wù)可行性;

第三步,以多任務(wù)在軌服務(wù)航天器平臺(tái)為基礎(chǔ),進(jìn)一步發(fā)展在軌加注、在軌維修、在軌組裝技術(shù),研制之初與在軌服務(wù)對(duì)象共同約定在軌服務(wù)的機(jī)、電、熱、氣液等接口,進(jìn)行即插即用的模塊化設(shè)計(jì),同時(shí)發(fā)展空間靈巧機(jī)械臂技術(shù),研制系列化服務(wù)飛行器,通過(guò)平臺(tái)或靈巧機(jī)械臂提供模塊更換、升級(jí)、故障診斷與處理等多樣化在軌服務(wù)。

按照發(fā)展思路,先期發(fā)展多任務(wù)在軌服務(wù)航天器,提供多星發(fā)射、姿軌控制、輔助入軌或離軌服務(wù),后續(xù)拓展在軌加注、模塊更換、垃圾清理等業(yè)務(wù)(見(jiàn)圖6)。

圖6 接管控制服務(wù)飛行器業(yè)務(wù)內(nèi)容Fig.6 Service business of on-orbit service vehicle

4 多任務(wù)航天器方案構(gòu)想

多任務(wù)在軌服務(wù)模塊化智能航天器是一種兼具多星發(fā)射、軌道轉(zhuǎn)移和自主為目標(biāo)航天器提供在軌服務(wù)(姿態(tài)控制、入軌/離軌、載荷服務(wù)等)的多用途航天器。

在軌服務(wù)航天器以在軌服務(wù)GEO衛(wèi)星為目標(biāo),宏觀上由軌道轉(zhuǎn)移動(dòng)力艙、平臺(tái)艙、在軌服務(wù)艙(載荷模塊、動(dòng)力模塊)等部段組成。多個(gè)艙段均采取正八棱柱外形的模塊化設(shè)計(jì)思路,各模塊采用縱向串聯(lián)層疊式連接,各功能艙段被分解、封裝成獨(dú)立的功能模塊,每個(gè)模塊物理獨(dú)立、功能獨(dú)立,通過(guò)艙段分界面的公口和母口相互耦合實(shí)現(xiàn)機(jī)械、電氣、熱控和數(shù)據(jù)接口連接。與在軌服務(wù)對(duì)象約定機(jī)、電、熱、氣液等在軌服務(wù)接口(一般按服務(wù)飛行器為公口、服務(wù)對(duì)象為母口進(jìn)行接口約定)。多任務(wù)在軌服務(wù)航天器根據(jù)任務(wù)規(guī)劃,在先期完成服務(wù)艙在軌使命后,與平臺(tái)艙分離,繼續(xù)發(fā)揮平臺(tái)的多任務(wù)優(yōu)勢(shì)。平臺(tái)艙及服務(wù)艙功能如下:

1)平臺(tái)艙在模塊化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上引入模塊化即插即用的思想,其不同功能單元具備自適應(yīng)連接的能力,使得平臺(tái)艙易于通過(guò)空間機(jī)械臂進(jìn)行自主在軌服務(wù)操作,具備實(shí)施和接受在軌服務(wù)的能力。

2)服務(wù)艙根據(jù)目標(biāo)星在軌服務(wù)需求進(jìn)行定制,可以是具備獨(dú)立的在軌服務(wù)姿態(tài)控制系統(tǒng)的動(dòng)力模塊,或是提供通信或功能修復(fù)服務(wù)的即插即用載荷模塊等。

多任務(wù)在軌服務(wù)航天器演示驗(yàn)證任務(wù)以在研的大中型運(yùn)載火箭運(yùn)載能力為研制背景,航天器及載荷組合體質(zhì)量不大于7t,能夠適應(yīng)火箭整流罩Φ4 200 mm包絡(luò)要求,其中載荷(含合作目標(biāo)、搭載載荷及任務(wù)拓展載荷等)運(yùn)載能力約為2t,具備與合作目標(biāo)或準(zhǔn)合作目標(biāo)(已知位置、姿態(tài),無(wú)合作標(biāo)志器)交會(huì)能力,對(duì)衛(wèi)星完好抓捕對(duì)接能力,提供姿軌控服務(wù)及輔助離軌的能力等。對(duì)在軌服務(wù)航天器進(jìn)行總體參數(shù)預(yù)分解及推進(jìn)劑初步分析,結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 主要總體參數(shù)Tab.1 Main overall parameters

多任務(wù)在軌服務(wù)航天器從與火箭分離開(kāi)始,自主任務(wù)規(guī)劃完成5項(xiàng)演示驗(yàn)證工作,總體任務(wù)規(guī)劃見(jiàn)圖7,依次完成軌道轉(zhuǎn)移、多星發(fā)射、合作目標(biāo)的演示驗(yàn)證、拓展衛(wèi)星發(fā)射、準(zhǔn)合作目標(biāo)的拓展驗(yàn)證等任務(wù)。

(1)多星發(fā)射任務(wù)

多任務(wù)在軌服務(wù)航天器具備多個(gè)衛(wèi)星搭載發(fā)射的能力,在目標(biāo)軌道進(jìn)行多載荷的軌道部署。

(2)演示驗(yàn)證任務(wù)

多星發(fā)射完成后,離軌機(jī)動(dòng)進(jìn)入試驗(yàn)軌道,分離軌道轉(zhuǎn)移艙。將所搭載的合作目標(biāo)進(jìn)行釋放,分離一段時(shí)間后軌道機(jī)動(dòng),進(jìn)行與合作目標(biāo)的交會(huì)對(duì)接、抓捕固連,演示在軌提供姿態(tài)控制、機(jī)械臂操作等,最后完成合作目標(biāo)的分離及入軌。

(3)拓展任務(wù)

演示驗(yàn)證任務(wù)完成后,軌道機(jī)動(dòng),向準(zhǔn)(非)合作目標(biāo)近距離交會(huì)及逼近,拓展完成與準(zhǔn)合作目標(biāo)的交會(huì)對(duì)接、抓捕固連,根據(jù)準(zhǔn)(非)合作目標(biāo)在軌運(yùn)行需要,提供軌道調(diào)整、姿態(tài)控制等在軌服務(wù)。完成拓展任務(wù)后,多任務(wù)在軌服務(wù)航天器依據(jù)地面指令變軌到工作軌道,利用自身配置的載荷作為中繼平臺(tái)提供通信中繼等后續(xù)服務(wù)。

5 結(jié)論

本文根據(jù)國(guó)內(nèi)外近期研究進(jìn)展情況,分析了在軌服務(wù)航天器的服務(wù)模式;結(jié)合目前在軌服務(wù)技術(shù)的發(fā)展與商業(yè)航天對(duì)進(jìn)入空間需求呈高速增長(zhǎng)趨勢(shì),分析了多任務(wù)在軌服務(wù)航天器的發(fā)展思路。最后給出了兼具多星發(fā)射和在軌服務(wù)的多用途智能航天器的方案設(shè)想,以期降低在軌服務(wù)的難度,提升衛(wèi)星發(fā)射或在軌維護(hù)的經(jīng)濟(jì)性,并初步分析了演示驗(yàn)證任務(wù)服務(wù)航天器的總體參數(shù)及任務(wù)規(guī)劃。