“在轨服务”，太空竞赛重要领域

兰顺正

2021年4月24日，美国SpaceX的载人“龙”飞船与国际空间站成功对接。

4月12日，美国诺斯洛普·格鲁曼公司的“任务延寿-2”（MEV2）在轨服务飞行器与国际通信卫星公司的“国际通信卫星10-02”（IS-10-02）在轨通信卫星成功对接。这是首次有在轨服务飞行器在静地轨道上同现役商业卫星对接，引发对未来空间在轨服务技术的关注。

老旧航天器的“起死回生术”

众所周知，航天器在轨运行的过程中，各种故障及意外情况无法完全避免。随着技术的进步，航天器上的仪器设备可能变得陈旧落后，无法保持理想性能，航天器寿命也会受到其可携带推进剂总量的限制。据统计，从第一颗人造地球卫星上天至今，全球发射的卫星数量在5000 颗以上，多数不再正常运转。人们对待已经报废的卫星，一般是在控制卫星用掉最后的燃料并减速后，任其重返大气层燃尽。而对于一些轨道高度上万千米的卫星来说，其自身携带燃料并不足以让其减速到再入大气层，所以结束任务后会利用自身动力攀升到更高的“墓地轨道”，在那里“孤独终老”。

但是，人造卫星往往造价高昂，高轨通信卫星更是如此，单是卫星本身的成本就常达数亿美元。因此，如能用比较经济的办法延长卫星使用寿命，使其被充分利用，其价值将颇为可观，而这就让在轨服务技术有了用武之地。

顾名思义，“在轨服务”就是在地球轨道上开展各种维修维护业务，通过加注燃料、修理或更换受损零件等，延长航天器寿命，提升其执行任务的能力。其实在人类拥有载人航天能力之后，在轨服务就已经开始。1973年5月美国空间站“天空实验室”发生故障，随后一艘“阿波罗”飞船对接“天空实验室”，两批美国航天员出舱对热控和太阳电池翼进行了维修，空间站恢复正常运行。

航天飞机问世后，其出色的运载能力为在轨服务提供了更合适的平台。1984年美国“挑战者”号航天飞机利用机械臂捕获了SMM太阳探测器，对发生故障的姿态控制系统进行修复，还更换了一些电子元件和碟形天线，是在轨服务史上的经典案例。

航天大国的“宠儿”

虽然航天飞机已经退役，人类的太空活动却日益增多，对在轨服务的需求有增无减。近年来，随着无人在轨服务飞行器所需要的在轨接近、捕获、操纵、调整、修理、燃料补给、集成以及建造等技术逐渐发展成熟，与之相关的航天项目也不断进入公众视野。

美国的在轨服务水平领先于其他国家，目前已在开展和计划开展的在轨服务项目主要有：“自主交会技术验证卫星”“试验卫星服务系统”“轨道快车”“微小卫星技术试验”“轨道通用轨道修正航天器”“前端机器人使能近期演示验证”“凤凰计划”，等等。其中“凤凰计划”由美国国防高新技术实验局自2012年开始实行，准备研制装有机械手的小卫星，将其发射入轨并依附于废弃或损坏的卫星之上，既能从目标卫星上回收有用零部件，也可将目标卫星改造成一颗新卫星，实现“涅槃重生”。

德国很重视空间机器人研究，目前已经进行和正在开展的空间在轨服务项目主要有“机器人技术试验”（ROTEX）、“试验服务卫星”和“轨道寿命延长飞行器”。ROTEX是德国生产的第一个空间在轨服务机器人，也是世界首个具有地面遥操作能力的空间机器人系统，可按自主模式、宇航员操作模式和各种地面遥操作模式运行，演示验证各项关键技术。

中国的在轨服务技术近年来取得不小的进展。2015年曾有消息称，中国航天科技集团公司五院502所自主研发了一款太空机器人（其初期版本曾在北京世界机器人大会上亮相），体积相当于一个写字楼普通办公工位。据称这种机器人拥有设计独特的机械臂，每条机械臂上安装了数个“关节”，可独立完成在轨添加燃料的操作。今年2月，国内有报道透露，天津大学现代机构学与机器人学中心康荣杰副教授团队研发了一款新型连续体仿生机器人，它的本体由超弹性镍钛合金制作的中央骨架和3D打印技术制作的约束盘构成，外观像一只灵巧的手臂。目前该成果已初步应用于“空间非合作目标捕获”的研究，有望成为一名出色的“太空捕手”，上天处理失效卫星和太空碎片。

寓軍于民的“多面手”

本文开篇提到的美国诺斯洛普·格鲁曼公司在在轨服务领域是比较知名的。该公司的“MEV-1”卫星去年成功地为已在轨工作16年的“Intelsat-901”通信卫星提供了延寿服务。此次“MEV-2”服务的“IS-10-02”卫星由原阿斯特里姆公司（现空客防务与航天公司）采用“欧星3000”平台建造，于2004年发射入轨，主要用于提供宽带和媒体分发服务，设计寿命13年，目前星上燃料所剩无几。据悉，“MEV-2”自2021年3月初起一直在对该星开展近距离操作，通过向其靠近来校准和测试各系统，然后再退开。在对接成功后，两者今后五年将保持这种状态，以延长“IS-10-02”的使用寿命，再之后“MEV-2”将解除对接，以去执行新的任务。总的来说，“MEV-2”的功用就是充当那些功能正常但油料用尽的卫星的动力系统，让它们再多运转一段时间。

在轨维护技术的军事应用潜力不容忽视。简言之，在未来的太空冲突中，在轨维护技术可被用来恢复己方受损的航天器，从而起到削弱敌方打击效果、抑制敌方打击欲望的作用。在轨维护也具备破坏敌方航天器的潜能。比如，“MEV”卫星是通过自身专门对接机构与目标卫星的发动机喷管和星箭对接环结构进行捕获对接。不难看出，这种在轨维护的方法实际是在“挟持”卫星，因此可以作为“共轨反卫技术”的一种。

过去，“共轨反卫技术”主要是通过使用反卫星卫星，以自爆、撞击、发射武器等方式摧毁敌方卫星。但是，这种“太空歼灭者”造成的伤害往往难以挽回，会导致冲突骤然升级，所产生的碎片也可能引发太空灾难。在轨维护技术则提供了一种更为灵活的手段。战时，在轨维护卫星可以通过“强行对接”的方式，把敌方军事通信卫星或导航卫星、侦察卫星推离轨道，使其无法完成任务;也可以依附在其他卫星身上，用机械手拆除一些零件，使之暂时失效，事后再看情况装回去。另外，各国反近地轨道卫星技术日趋成熟，但对深空目标还没有太多办法，此次“MEV-2”服务的对象就位于深空静地轨道，从侧面印证了“MEV”的相关技术将来可以用于对付深空“非合作目标”的趋势。