多任務(wù)在軌服務(wù)模塊化智能航天器技術(shù)研究

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,人類開發(fā)空間、利用空間的步伐越來越快,航天系統(tǒng)越來越復(fù)雜,規(guī)模也越來越大。由于航天任務(wù)高成本、高風(fēng)險的特點,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)即引起了各航天國家的重視,開展了大量的研究和試驗,試圖在空間通過人、機器人或兩者協(xié)同操作,以延長航天器壽命,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,使得不可維護的高可靠性工業(yè)產(chǎn)品變成可維護的工業(yè)產(chǎn)品;同時還將引起傳統(tǒng)航天器設(shè)計理念的變化,即航天器設(shè)計向低冗余度、低成本和高可維護性方向發(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、一次性使用”的設(shè)計思想,從而使得飛行器接受服務(wù)存在較大難度,難以實現(xiàn)在軌維護的一些空間操作。未來的航天器將普遍應(yīng)用接受在軌服務(wù)設(shè)計,引入標(biāo)準(zhǔn)機電熱接口、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、聚零為整”的技術(shù)[5],目前廣泛應(yīng)用于汽車、計算機等工業(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、生產(chǎn),再將各子系統(tǒng)集成為完整系統(tǒng)。本文開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)量地在軌運行,“在軌服務(wù)”概念應(yīng)運而生。航天器在軌服務(wù)是指在太空通過人、機器人(或類機器人衛(wèi)星)或兩者協(xié)同來完成涉及延長衛(wèi)星、空間平臺、空間站附屬艙和空間運載器等航天器壽命,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 國內(nèi)外近期研究進(jìn)展

自1973年人類歷史上第一次出艙對太陽能電池翼和艙外熱控進(jìn)行修復(fù)以來,在軌服務(wù)技術(shù)已經(jīng)歷了40多年的發(fā)展。美國國家航空航天局(NASA)是開展在軌服務(wù)技術(shù)驗證的先行者[6],俄羅斯、歐空局(ESA)、加拿大、德國、日本等先后開展了自主交會對接、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)計劃,并完成了多方面的試驗驗證。美國DARPA開展的軌道快車(Orbital Express)計劃,完成了航天器與衛(wèi)星的自主交會和對接工作[7];日本JAXA的工程技術(shù)試驗衛(wèi)星ETS-VII驗證了空間機器人在軌抓捕技術(shù),利用機器人手臂進(jìn)行配件更換、燃料補給、桁架結(jié)構(gòu)和試驗天線在軌組裝等任務(wù)[8];德國宇航中心DLR、加拿大航天局CSA、俄羅斯航天局RKA合作的空間系統(tǒng)演示驗證技術(shù)衛(wèi)星TECSAS,用于驗證空間機器人的GEO目標(biāo)追蹤、接近和交會、抓捕、穩(wěn)定等在軌服務(wù)技術(shù)[9],于2006年9月停止,轉(zhuǎn)而啟動德國在軌服務(wù)任務(wù)DEOS項目。在軌服務(wù)技術(shù)將成為航天技術(shù)發(fā)展的重要方向,下面介紹幾個近期在軌道運輸、在軌組裝或制造、在軌維修或升級等方面的典型項目。

1.2.1 無人延壽飛行器(MEV)

“無人延壽飛行器”(MEV)是地球靜止軌道衛(wèi)星延壽項目(見圖2),采用Orbital ATK公司的GEOStar3平臺與“天鵝座”(Cygnus)交會對接技術(shù)。MEV的設(shè)計壽命是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)星交會對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”計劃在2015年的衍生工程項目之一,歸屬NASA“新興空間能力轉(zhuǎn)折點”系列專題[10],計劃2020年后實現(xiàn)在軌演示驗證。該項目旨在克服發(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(見圖3)。目前“蜻蜓”項目處于地面演示及關(guān)鍵設(shè)計階段,尚無技術(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“多功能空間機器人精密制造與裝配系統(tǒng)”,又名“建筑師”技術(shù)平臺,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。“建筑師”計劃安裝在空間站艙外,利用已驗證的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械維修等(見圖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”的衍生項目(見圖5)[10],以實現(xiàn)GEO衛(wèi)星的自主在軌檢查、維修、重定位和升級等多項在軌服務(wù)能力。該項目計劃在2021年發(fā)射,在軌完成6～9個月演示任務(wù)后,再開展為商業(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展了交會對接、在軌維修、故障診斷等技術(shù)試驗;“遨龍一號”空間碎片主動清除器,旨在驗證機械臂抓取廢棄衛(wèi)星和空間碎片并將其拋入大氣層燒毀;“天源一號”在軌加注衛(wèi)星,開展了基于表面張力貯箱的在軌加注試驗,驗證了微重力循環(huán)加注流體管理、加注燃料貯箱等多項太空燃料補充加注技術(shù)。上述在軌服務(wù)項目的開展,標(biāo)志著我國已具有構(gòu)建面向在軌服務(wù)的航天技術(shù),為推動軌道運輸、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)展邁出了堅實有力的一步。

2 在軌服務(wù)模式

航天器的發(fā)展在不同時期設(shè)計理念及思路不同,其可接受在軌服務(wù)的方式及程度不同。從在軌服務(wù)的實現(xiàn)方式上來說,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)代表未來的發(fā)展方向,本文僅對自主在軌服務(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、生產(chǎn)和組裝,一般沒有在軌服務(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)損壞就會導(dǎo)致整個航天器報廢。

在軌服務(wù)航天器需為目標(biāo)對象量身定制專門的機械對接接口(包帶或其他可夾持接口),便于在軌完成交會對接組成剛性組合體。針對此類航天器,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,提供動力模塊,延長航天器在軌運行姿態(tài)維持;

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

2.2 合作式服務(wù)接口

近年來,隨著空間交會對接、空間機器人等技術(shù)的進(jìn)步,自主在軌服務(wù)逐漸在航天活動中進(jìn)行驗證。自主在軌服務(wù)技術(shù)的實施預(yù)期可降低任務(wù)成本,但是對目標(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)特點約定著不同的接口,包括機械對接接口(包帶接口或其他形式交會對接接口)、電氣接口、在軌加注接口等。針對此類航天器,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、相機等載荷出現(xiàn)故障,提供在軌維修、升級或模塊更換,功能恢復(fù)或提升服務(wù);

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

4)針對降低微小衛(wèi)星進(jìn)入中高軌門檻,提升微小衛(wèi)星快速組網(wǎng)能力,提供“Wifi”在軌服務(wù)平臺,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)濟價值,離軌服務(wù)提升了對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

世界各航天強國及組織均在在軌服務(wù)技術(shù)領(lǐng)域開展了大量研究,已有多個項目完成了在軌飛行演示驗證。分析各國發(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特軌道,高軌衛(wèi)星價值也非常高,因此高價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)先對象。

2)部分項目已完成在軌驗證,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,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,2016—2017年國際宇航發(fā)射任務(wù)共計176次,其中直接入軌發(fā)射的空間運輸共計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,未來衛(wèi)星、探測器等載荷對直接入軌、星座組網(wǎng)、各種空間科學(xué)試驗等需求將呈高速增長的趨勢,因此具備多星部署能力的運載器在多星發(fā)射方面將具有巨大的市場需求。

結(jié)合世界各航天強國在在軌服務(wù)技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)展與多星發(fā)射的高速增長趨勢,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)自主交會對接,提供長壽命高可靠姿軌控能力的多任務(wù)在軌服務(wù)航天器,完成飛行演示驗證;

第二步,利用航天器軌道機動能力,通過交會對接測量設(shè)備,對準(zhǔn)(非)合作目標(biāo)進(jìn)行交會、逼近、對接等拓展任務(wù),進(jìn)一步驗證對準(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)對象共同約定在軌服務(wù)的機、電、熱、氣液等接口,進(jìn)行即插即用的模塊化設(shè)計,同時發(fā)展空間靈巧機械臂技術(shù),研制系列化服務(wù)飛行器,通過平臺或靈巧機械臂提供模塊更換、升級、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)移動力艙、平臺艙、在軌服務(wù)艙(載荷模塊、動力模塊)等部段組成。多個艙段均采取正八棱柱外形的模塊化設(shè)計思路,各模塊采用縱向串聯(lián)層疊式連接,各功能艙段被分解、封裝成獨立的功能模塊,每個模塊物理獨立、功能獨立,通過艙段分界面的公口和母口相互耦合實現(xiàn)機械、電氣、熱控和數(shù)據(jù)接口連接。與在軌服務(wù)對象約定機、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,與平臺艙分離,繼續(xù)發(fā)揮平臺的多任務(wù)優(yōu)勢。平臺艙及服務(wù)艙功能如下:

1)平臺艙在模塊化設(shè)計的基礎(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,使得平臺艙易于通過空間機械臂進(jìn)行自主在軌服務(wù)操作,具備實施和接受在軌服務(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,可以是具備獨立的在軌服務(wù)姿態(tài)控制系統(tǒng)的動力模塊,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)航天器演示驗證任務(wù)以在研的大中型運載火箭運載能力為研制背景,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),無合作標(biāo)志器)交會能力,對衛(wèi)星完好抓捕對接能力,提供姿軌控服務(wù)及輔助離軌的能力等。對在軌服務(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始,自主任務(wù)規(guī)劃完成5項演示驗證工作,總體任務(wù)規(guī)劃見圖7,依次完成軌道轉(zhuǎn)移、多星發(fā)射、合作目標(biāo)的演示驗證、拓展衛(wèi)星發(fā)射、準(zhǔn)合作目標(biāo)的拓展驗證等任務(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)演示驗證任務(wù)

多星發(fā)射完成后,離軌機動進(jìn)入試驗軌道,分離軌道轉(zhuǎn)移艙。將所搭載的合作目標(biāo)進(jìn)行釋放,分離一段時間后軌道機動,進(jìn)行與合作目標(biāo)的交會對接、抓捕固連,演示在軌提供姿態(tài)控制、機械臂操作等,最后完成合作目標(biāo)的分離及入軌。

(3)拓展任務(wù)

演示驗證任務(wù)完成后,軌道機動,向準(zhǔn)(非)合作目標(biāo)近距離交會及逼近,拓展完成與準(zhǔn)合作目標(biāo)的交會對接、抓捕固連,根據(jù)準(zhǔn)(非)合作目標(biāo)在軌運行需要,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提供通信中繼等后續(xù)服務(wù)。

5 結(jié)論

本文根據(jù)國內(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)航天對進(jìn)入空間需求呈高速增長趨勢,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)射或在軌維護的經(jīng)濟性,并初步分析了演示驗證任務(wù)服務(wù)航天器的總體參數(shù)及任務(wù)規(guī)劃。