文/ 張雪松

▲ 1993年在軌修復(fù)哈勃空間望遠(yuǎn)鏡

▲ 和平號(hào)多艙式空間站

▲ 美國(guó)軍事軌道快車項(xiàng)目

傳統(tǒng)航天模式下，航天器追求高可靠性，為了實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命從基礎(chǔ)的元器件開(kāi)始精挑細(xì)選，力保設(shè)計(jì)壽命內(nèi)不出問(wèn)題。但是事實(shí)上，一些昂貴的在軌衛(wèi)星，因?yàn)榛鸺肼窉佸^、衛(wèi)星軟件故障、惡劣的空間環(huán)境影響等因素，不能再提供服務(wù)的情況并不少見(jiàn)。隨著空間技術(shù)的飛速發(fā)展，在軌服務(wù)也越來(lái)越多受關(guān)注，成為航天企業(yè)的新寵。

在軌服務(wù)的概念

隨著空間技術(shù)的發(fā)展，航天器的組成結(jié)構(gòu)和功能日益復(fù)雜，地面精工細(xì)作出佳作的傳統(tǒng)模式，雖然還能滿足航天發(fā)展對(duì)航天器持久穩(wěn)定運(yùn)行的需求，但在軌服務(wù)的概念也越來(lái)越多被重視。你能想象成千上萬(wàn)的民航客機(jī)，只是耗盡了燃料就被遺棄么？而這居然是衛(wèi)星的現(xiàn)實(shí)歸宿，在軌服務(wù)的概念，某種意義上說(shuō)就是受此啟發(fā)和激勵(lì)的結(jié)果。

在軌服務(wù)，顧名思義就是在軌道上提供服務(wù)，通俗地說(shuō)就是在軌道上組裝和維修航天器，從而降低航天器的綜合成本，提高航天器的性能。

在軌服務(wù)包括在軌延壽、機(jī)器人操作、發(fā)射后軌道修正服務(wù)、重新定軌業(yè)務(wù)、離軌服務(wù)等操作。通過(guò)在軌服務(wù)對(duì)航天器進(jìn)行維護(hù)，可以有效的延長(zhǎng)使用壽命。當(dāng)航天器出現(xiàn)故障時(shí)，通過(guò)在軌服務(wù)進(jìn)行修復(fù)，免去了地面重新發(fā)射的麻煩和高額費(fèi)用；如果航天器用的技術(shù)過(guò)時(shí)了，在軌服務(wù)又能對(duì)它進(jìn)行更新升級(jí)，延長(zhǎng)壽命的同時(shí)還能增強(qiáng)性能。簡(jiǎn)而言之，在軌服務(wù)的理念和傳統(tǒng)航天模式截然相反，更注重在地球軌道上解決問(wèn)題。除此之外，在軌組裝也是在軌服務(wù)的重要分支，火箭的運(yùn)載能力是有限的，而我們對(duì)航天器的要求與日俱增，對(duì)于大型或重型航天結(jié)構(gòu)，在軌組裝就成了必不可少的工作。我們熟悉的多艙空間站，就是典型的在軌組裝。

在軌服務(wù)的歷史

在軌服務(wù)并非剛剛興起的新概念，如果將載人航天考慮進(jìn)來(lái)，在軌服務(wù)已經(jīng)有數(shù)十年的歷史了。

1973年5月美國(guó)發(fā)射了試驗(yàn)空間站——天空實(shí)驗(yàn)室，但土星五號(hào)火箭起飛后，遮陽(yáng)罩和一個(gè)太陽(yáng)翼被高速氣流沖掉，導(dǎo)致天空實(shí)驗(yàn)室溫度劇升發(fā)生故障，隨后一艘阿波羅飛船對(duì)接天空實(shí)驗(yàn)室，3名航天員在軌修理解決了溫控問(wèn)題，讓它恢復(fù)正常。

禮炮7號(hào)空間站的挽救任務(wù)更為著名。1985年2月蘇聯(lián)禮炮7號(hào)空間站和地面失去聯(lián)系，同年6月6號(hào)聯(lián)盟T-13號(hào)飛船發(fā)射隨后成功對(duì)接“禮炮7號(hào)”，兩名航天員經(jīng)過(guò)數(shù)天奮戰(zhàn)，解決了空間站電源短路等關(guān)鍵故障，讓“禮炮7號(hào)”從凍死狀態(tài)起死回生?！岸Y炮7號(hào)”和天空實(shí)驗(yàn)室的故障，如果沒(méi)有航天員的在軌修復(fù)，它們都只能直接退役，造成巨大的資源浪費(fèi)，在軌維修的價(jià)值可見(jiàn)一斑。

▲ 航天飛機(jī)捕獲的西聯(lián)-6號(hào)通訊衛(wèi)星

▲ 聯(lián)盟T-13拯救禮炮7號(hào)空間站

航天飛機(jī)的出現(xiàn)，為在軌服務(wù)提供了更合適的平臺(tái)。1984年,美國(guó)挑戰(zhàn)者號(hào)航天飛機(jī)利用機(jī)械臂捕獲了SMM太陽(yáng)探測(cè)器，并于次日修復(fù)了出故障的姿態(tài)控制系統(tǒng)，還更換了一些電子元件和碟形天線，這是航天飛機(jī)首次登上在軌維修的舞臺(tái)。1984年，美國(guó)發(fā)現(xiàn)號(hào)航天飛機(jī)捕獲了在軌轉(zhuǎn)移失敗的西聯(lián)-6號(hào)通信衛(wèi)星并帶回地面，后來(lái)它被亞洲衛(wèi)星公司買下命名為“亞洲一號(hào)”，1990年我國(guó)使用長(zhǎng)征三號(hào)火箭成功發(fā)射了這顆衛(wèi)星。航天飛機(jī)在軌維護(hù)，最著名的當(dāng)屬哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的維護(hù)，正是航天飛機(jī)修好了“哈勃”的“近視眼”，讓它以30歲高齡仍活躍在空間天文舞臺(tái)上。

▲ 航天飛機(jī)SSM望遠(yuǎn)鏡拯救任務(wù)

商業(yè)航天的熱門

2020年2月11日，美國(guó)NSR發(fā)布了《在軌服務(wù)與空間態(tài)勢(shì)感知市場(chǎng)報(bào)告（第三版）》。報(bào)告列出了在軌服務(wù)的五大市場(chǎng)，并且NSR在其報(bào)告的第一版就曾預(yù)測(cè)，在軌服務(wù)市場(chǎng)規(guī)模在未來(lái)10年間將達(dá)到30億美元。這讓其成為商業(yè)航天領(lǐng)域的熱門話題。商業(yè)公司關(guān)注的重點(diǎn)是利潤(rùn)，他們瞄準(zhǔn)了利潤(rùn)豐厚的靜止衛(wèi)星市場(chǎng)。普通的靜止軌道通信衛(wèi)星價(jià)格貴壽命長(zhǎng)，但也不時(shí)有出現(xiàn)故障的，更不要說(shuō)燃料耗盡后好好的衛(wèi)星就要壽終正寢了。

加拿大商業(yè)航天公司MDA和美國(guó)諾格創(chuàng)新系統(tǒng)公司都提出了在軌維護(hù)航天器概念，由于種種原因，MDA公司沒(méi)能拉到客戶，暫停了在軌服務(wù)計(jì)劃，但美國(guó)諾格創(chuàng)新系統(tǒng)公司繼續(xù)推動(dòng)在軌服務(wù)計(jì)劃，誕生了任務(wù)延壽飛行器（MEV）。MEV衛(wèi)星設(shè)計(jì)相當(dāng)獨(dú)特，它以目標(biāo)衛(wèi)星的主發(fā)動(dòng)機(jī)噴管為對(duì)接對(duì)象，而且并非在軌加注燃料，而是把本身當(dāng)做目標(biāo)通信衛(wèi)星的服務(wù)艙，為它提供軌道維持能力。這樣另辟蹊徑的設(shè)計(jì)規(guī)避了困難的在軌加注問(wèn)題，可謂獨(dú)具匠心。

商業(yè)公司還注意到軌道碎片的問(wèn)題。在軌服務(wù)中還有一項(xiàng)服務(wù)就是軌道碎片的捕獲和清除。雖然看起來(lái)清除軌道碎片沒(méi)有直接經(jīng)濟(jì)收益，但軌道碎片的數(shù)量和危害與日俱增，未來(lái)立法強(qiáng)制清除軌道碎片的可能性很大。目前多家商業(yè)航天公司瞄準(zhǔn)軌道碎片清除業(yè)務(wù)，八仙過(guò)海各顯神通提出張網(wǎng)捕獲和電動(dòng)系繩牽引等多種解決方案。這些方案未來(lái)如能投入使用，有望緩解軌道碎片加速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

軍事航天的“新貴”

美軍國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）提出并實(shí)踐了空間自主在軌服務(wù)試驗(yàn)研究，主要包括實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星系統(tǒng)（XSS）和軌道快車系統(tǒng)，為未來(lái)的軍用在軌服務(wù)驗(yàn)證技術(shù)、積累經(jīng)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星系統(tǒng)是模塊在軌服務(wù)概念（MOS）的產(chǎn)物，XSS-10和XSS-11兩種實(shí)驗(yàn)星分別于2003和2005發(fā)射入軌，開(kāi)展在軌服務(wù)實(shí)驗(yàn)。XSS-10驗(yàn)證了微小衛(wèi)星緊密跟蹤目標(biāo)衛(wèi)星的能力，而XSS-11還增加了成像系統(tǒng)，觀測(cè)火箭末級(jí)和目標(biāo)位性，并進(jìn)行了自主交會(huì)和高精度伴飛實(shí)驗(yàn)。

▲ 在軌修復(fù)的太空實(shí)驗(yàn)室

▲ XSS-10

▲ XSS-11

軌道快車項(xiàng)目是美國(guó)DARPA牽頭，波音公司、貝爾公司、諾格公司以及MDA公司聯(lián)合實(shí)施的技術(shù)驗(yàn)證項(xiàng)目。軌道快車于2007年3月發(fā)射升空，它實(shí)際上是兩顆衛(wèi)星NextSat和ASTRO，發(fā)射成功后兩顆衛(wèi)星分離，ASTRO自主交會(huì)并使用機(jī)械臂捕獲NextSat衛(wèi)星，并為其加注燃料，還進(jìn)行了更換組件操作，包括更換一塊備用電池。軌道快車試驗(yàn)獲得成功，自主交會(huì)和非合作對(duì)接，小型機(jī)械臂和捕獲操作都得到了驗(yàn)證。不過(guò)盡管它試驗(yàn)了流體和零部件的傳輸，但這項(xiàng)技術(shù)還不成熟，需要進(jìn)一步的研究試驗(yàn)，其技術(shù)潛力相當(dāng)可觀。“軌道快車”所驗(yàn)證的各項(xiàng)技術(shù)，稍加改變就是反衛(wèi)星作戰(zhàn)所需的太空擄星、共軌反衛(wèi)星、衛(wèi)星干擾等能力，具有廣闊的軍事前景。

軌道快車項(xiàng)目結(jié)束后，美國(guó)空軍以及DARPA又啟動(dòng)后續(xù)項(xiàng)目，包括在軌檢查的MiTEx項(xiàng)目、具備在軌服務(wù)潛力的X-37B小型航天飛機(jī)，以及利用僵尸衛(wèi)星的鳳凰計(jì)劃。鳳凰計(jì)劃借用鳳凰的重生能力，提出利用太空?qǐng)?bào)廢衛(wèi)星組裝新衛(wèi)星的設(shè)想，尤其是利用靜止軌道通信衛(wèi)星的天線等耐用的有價(jià)值部分，變廢為寶組裝為新衛(wèi)星。鳳凰計(jì)劃對(duì)外宣傳使用驗(yàn)證在軌組裝技術(shù)，不僅能提高本國(guó)衛(wèi)星系統(tǒng)的抗毀和修復(fù)能力，削弱他國(guó)反衛(wèi)星武器的威脅，同時(shí)也是肢解敵方衛(wèi)星的殺手锏，其軍用價(jià)值將對(duì)美軍太空作戰(zhàn)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。