國外載人航天在軌服務技術 發展現狀和趨勢分析

郭筱曦 （北京空間科技信息研究所）

國外載人航天在軌服務技術 發展現狀和趨勢分析

郭筱曦 （北京空間科技信息研究所）

保證在軌和在研航天器能在復雜空間環境中長時間穩定運行，已成為空間技術發展的重要目標。20世紀60年代，研究人員提出了“在軌服務”的概念，由此開創了空間在軌服務技術這一新的領域。空間在軌服務（OOS）是指在太空中通過人、機器人（或類機器人航天器）或兩者協同來完成涉及延長航天器、平臺、空間站附屬艙和空間運載器壽命及能力的空間裝配、維護、維修等空間操作。

空間在軌服務技術經歷了從有人服務到無人自主服務的發展和過渡，雖然呈現出高度自主化的趨勢，但曾在很長一段時期內，通過有人服務積累了大量經驗，試驗了相關技術，為后續發展奠定了堅實基礎。與此同時，在可預見的將來，人類和機器人不可能相互取代。因此，進一步擴展人類與機器人的交互與協同，實現有人與自主相結合的在軌服務，也是未來載人航天在軌服務的重要發展方向之一。

1 國外空間在軌服務技術發展概述

有人在軌服務技術發展概述

有人參與或主導的空間在軌服務技術的研究與實踐已有數十年歷史。1965年3月，蘇聯航天員列昂諾夫完成了人類第一次艙外活動（EVA）。1973年，美國航天員在艙外活動中成功維修了“天空實驗室”（Skylab）上未能正常展開的太陽電池翼，由此開創了航天員在艙外進行在軌服務作業的歷史，并充分證明了有人在軌服務的應用價值。從20世紀90年代至今，空間在軌服務技術得到了更廣泛的應用，以美國、俄羅斯為代表的有人在軌服務技術已趨于成熟。

1）“哈勃空間望遠鏡”（HST）的維修和維護。“哈勃空間望遠鏡”于1990年4月由發現號（Discovery）航天飛機送入太空，至今已在軌服役26年，美國航空航天局（NASA）先后安排了5次針對它的在軌服務，最終延長了其使用年限，且每次服務都使其功能得到提升，性能與可靠性得到顯著提高。

2）對“國際通信衛星”（lntelsat）的在軌服務。國際通信衛星－603在1990年發射升空后星箭無法分離，導致衛星被留在近地軌道。國際通信衛星組織（現已更名為國際通信衛星公司）委托NASA發射近地點發動機替換件提升軌道。1992年，在奮進號（Endeavour）航天飛機首飛任務中，航天飛機與該衛星交會并進行在軌捕獲，航天員執行艙外活動，在衛星上安裝了1臺新的近地點發動機，成功將衛星推入預定轉移軌道，最終實現了對該衛星的重新部署。

3）空間站組裝和維護。和平號空間站（Mir）從1986年2月升空到2001年3月離軌，共運行15年，其間故障頻發，多達1500次。經過100多名航天員的在軌維修和維護，和平號才能實現超期服役。“國際空間站”（ISS）是接受在軌服務的最典型范例之一，對它的在軌服務除了維修、更換設備等行為以外，還包括大規模的在軌裝配服務，使美國、俄羅斯等航天大國積累了豐富的在軌服務經驗。

航天員站在加拿大機械臂－2上

自主在軌服務技術發展概述

近年來人工智能、機器人等新興技術飛速發展，為自主在軌服務提供了良好的基礎。美國是自主在軌服務的先行者，NASA和美國國防高級研究計劃局（DARPA）都很重視自主在軌服務能力開發。歐洲國家中，德國對在軌服務的研究由來已久，技術水平很高，正在將服務范圍從低軌擴展到高軌。空間機器人是加拿大開展航天活動的支柱之一，加拿大研制并建造的幾代空間機械臂系統及與美國合作開展的機器人燃料加注計劃，都是瞄準在軌服務的應用領域。日本的大型空間機械臂研制水平接近加拿大，通過開展一系列試驗任務，初步掌握了在軌服務關鍵技術。

2 “國際空間站”艙外活動概況

在“國際空間站”的建造和全面應用階段，航天員通過執行艙外活動完成了各種在軌服務任務。截至2016年5月31日，已進行193次專用于“國際空間站”組裝和維護的艙外活動，總時長為1204h47min，其中28次艙外活動從到訪航天飛機出發，117次任務從尋求號（Quest）氣閘艙出發，46次從碼頭號（Pirs）對接艙出發，還有2次從星辰號（Zvezda）服務艙前端的轉移艙出發。

“國際空間站”艙外活動系統

氣閘艙是“國際空間站”主要的加壓過渡艙，設計目的是為身著航天服的航天員做艙外活動前的準備工作。尋求號氣閘艙于2001年7月由阿特蘭蒂斯號（Atlantis）航天飛機發射升空，之后與“國際空間站”的節點-1艙聯接。尋求號氣閘艙長6m，直徑3.9m，質量6.5t，由乘員氣閘和設備氣閘兩部分組成。2001年9月，俄羅斯碼頭號對接艙抵站。

由乘員氣閘和設備氣閘組成的尋求號氣閘艙

目前，站上所有國籍的乘員都使用美國“艙外機動裝置”（EMU）和俄羅斯“海鷹”（Orlan）系列航天服進行艙外活動。

“艙外機動裝置”是由幾個需組裝才能穿上的部分組成的模塊化航天服。航天服背面的背包，即基本生命保障系統（PLSS）包含了必要的設備和消耗品。以“艙外機動裝置”為基礎的艙外活動標稱計劃為7h，此外，配備了一個提供30min備用氧氣供應的副氧包。“海鷹”系列航天服為大小可調的航天服，穿上時幾乎不需要組裝，像一扇門一樣打開，讓乘員可以進出航天服。以“海鷹”為基礎的艙外活動標稱計劃為5h，同樣有30min的應急氧氣供應。

與航天飛機不同，空間站不能機動救援自由漂浮的艙外活動乘員。美國航天員使用“艙外活動簡易救生裝置”（SAFER），它是一種獨立的、有推進力的背包自救系統。這種裝置結構小巧簡單，安放在艙外活動航天服的背包下方，質量為38.25kg，有24個小推力發動機，可做六自由度的機動控制，工作時間為13min。

除上述系統以外，站上還有大量專用艙外活動工具和約束器，保障作業順利完成。

美國“艙外機動裝置”

俄羅斯海鷹－M航天服

“國際空間站”航天員進行艙外活動

艙外活動操作

一次艙外活動前后需進行很多操作，包括艙外活動前準備氣閘艙、檢查航天服和防止減壓病的預吸氧協議程序，以及艙外活動后的航天服維護和氣閘艙處理等。航天員在出艙前要預先在氣閘艙內呼吸純氧，用純氧取代體內血液中的氮氣，以預防減壓病，這個過程稱為預吸氧。如果將預吸氧時間計算在內，航天員艙外活動全過程至少需要11h，其中真正在艙外的工作時間為6h。

艙外活動發展

早期的“阿波羅”（Apollo）和“天空實驗室”任務中，由于任務性質和有限的貨物返回能力，大部分艙外活動硬件被丟棄在月球表面或留在“天空實驗室”上。20世紀70年代，因航天飛機提供返回系統硬件進行整修、維護和故障調查的能力，任務設計者利用這種能力設計了“艙外機動裝置”和相關硬件。

隨著航天飛機退役，美國制定了新的操作概念方案，以保證“國際空間站”艙外活動硬件可繼續使用。要解決的挑戰包括延長站上艙外活動硬件的使用壽命和認證期，保證使用備選運載火箭安全發射艙外活動硬件的能力，維持“艙外機動裝置”硬件的在軌可操作性，并確保高純度水源以保障供給。

未來，人類足跡將進一步向深空、向其他行星拓展，用于執行在軌服務任務的艙外活動系統和操作概念方案也需要隨之更新和演進，以適應復雜的空間環境和任務需求。

3 載人航天領域先進在軌服務體系研究現狀和趨勢

“國際空間站”作為先進在軌服務技術試驗平臺的應用

“國際空間站”是長期在軌的大型空間基礎設施，使其成為驗證有人和無人在軌服務系統的天然平臺。已利用“國際空間站”上的機器人系統進行過多次在軌服務作業試驗，驗證了眾多關鍵技術，其中最矚目的是近年開展的“機器人燃料加注任務”（RRM）。

“機器人燃料加注任務”由NASA和加拿大航天局（CSA）共同開發，設計利用“國際空間站”上的“靈巧專用機械手”（Dextre）驗證遙控機器人的在軌服務能力。為滿足任務要求，NASA戈達德航天中心為“靈巧專用機械手”設計了一個模塊和工具包。“機器人燃料加注任務”模塊搭載航天飛機發射，于2011年7月抵達站上，安裝在“國際空間站”的外部平臺上，總質量約250kg，有典型衛星上常見的28種零部件：噴管、閥門和電線等。“機器人燃料加注任務”模塊內也存有4種供“靈巧專用機械手”使用的新工具：鋼絲鉗和隔熱層操縱工具、多功能工具、安全帽移除工具與噴管工具。

“機器人燃料加注任務”硬件結構圖

“機器人燃料加注任務”標志著“靈巧專用機械手”的首次非“國際空間站”維護性作業及首次用于研究和開發項目，并例證了“國際空間站”逐步被用作技術試驗平臺的過程。“機器人燃料加注任務”分為兩個階段：第一階段驗證可用于服務和加注在軌衛星的新技術、新工具和新技能；第二階段始于2015 年4月，在“機器人燃料加注任務”模塊上安裝新硬件，進一步驗證上述機器人能力。

有人在軌服務先進體系概念研究

迄今為止，人類已完成的空間在軌服務都在近地軌道上開展。當前地球靜止軌道（GEO）上的航天器都并未設計可捕獲和服務功能，因此，GEO航天器無人在軌服務存在的困難包括：缺少捕獲接口、有銳邊危險、沒有設計容納艙外活動設備的功能、沒有設計組合體運行或自由漂浮控制模式等。

2011年，NASA和DARPA開展了一項聯合研究，考查可用于對GEO上航天器提供有人在軌服務的能力和體系方案，稱為“有人GEO服務”（MGS）研究。該研究的主要利益相關方為DARPA戰術技術處、NASA首席技術專家辦公室和當時的NASA空間運行任務部。該研究主要關注能力和技術，并非用于提出或評斷具體方案，也不指定具體服務對象，研究目的是為將來5～10年內的有人在軌服務任務評估和預測技術、方案和架構。

“有人GEO服務”研究的頂層架構要素包括：①居住艙/服務體，維持3名乘員在GEO生存60天，支持2人艙外活動，在2次載人任務之間的間隔期可自主運行最多6個月；②乘員運輸飛行器，將人類乘員安全運送至GEO目標位置并返回地球，每次維持3名乘員生存4天，該飛行器可在GEO環境中休眠60天；③太空拖船，捕獲非合作目標航天器，重定位GEO航天器或其他組成部分，至少在GEO環境中運轉5年；④運載器和上面級，近地軌道運載能力14.6t。

團隊主要考慮2種“有人GEO服務”方案：①GEO直接入軌和返回；②GEO往返軌道轉移。方案1包括2個自動拖船，用于移動服務對象往返于原位置與GEO雙用居住艙/服務體之間；方案2僅包含GEO上的居住艙/服務體，可自主機動至服務位置，無需拖船。整個研究的其中一部分是專門評估在地球、近地軌道和GEO航天器服務位置之間高效轉移乘員的能力。乘員轉移方案權衡包含從“雙子星座”（Gemini）型太空艙到有翼升力體飛行器在內的各種方案。服務任務可分解為以下幾個標稱階段：交會、檢測、捕獲、服務和分離。該研究不考慮全由機器人執行的無人服務備選方案，盡管為提高有人服務的效率，大量使用了機器人系統。由于GEO環境惡劣，適合途徑是為最復雜的一部分作業預留人類乘員艙外活動時間，而允許機器人執行其余作業。具體來說，包括：①計劃在任何可行的時候使用機器人系統，同時權衡新工具開發和乘員暴露時間；②計劃當無可行或及時的機器人方案存在時，由人類乘員執行艙外活動；③可能的話，為每次機器人作業保留艙外活動應急預案。

“有人GEO服務”場景設想圖

該研究不受NASA當前探索架構的約束，但被允許選擇一條適于實現目標的途徑，其強調的能力提升亦與為NASA載人航天活動提供開拓性的目標相契合。“有人GEO服務”基礎設施組成部分及相關實施技術更具價值，因其有可能推動實現更富成效的載人航天探索途徑。

4 結語

在全球范圍內，在軌服務已被多個國家和地區空間機構確定為一項支持空間自主性和擴展性的關鍵能力。數十年來，有人在軌服務為相關技術發展奠定了基礎，且在可預見的將來，人類和機器人不可能相互取代。因此，實現有人與自主相結合的在軌服務是未來在軌服務發展的趨勢之一。

我國開展在軌服務研究時間較晚，無論研究還是應用都處于起步階段。當前，在軌服務重大科技專項已經列入我國國家日程，應把握好這次機遇，助推我國空間在軌服務技術乃至空間技術整體和航天工業的發展。

Development and Trend Analysis of Foreign Human Spaceflight On-orbit Servicing Technology