“在軌服務”，太空競賽重要領域

蘭順正

2021年4月24日，美國SpaceX的載人“龍”飛船與國際空間站成功對接。

4月12日，美國諾斯洛普·格魯曼公司的“任務延壽-2”（MEV2）在軌服務飛行器與國際通信衛星公司的“國際通信衛星10-02”（IS-10-02）在軌通信衛星成功對接。這是首次有在軌服務飛行器在靜地軌道上同現役商業衛星對接，引發對未來空間在軌服務技術的關注。

老舊航天器的“起死回生術”

眾所周知，航天器在軌運行的過程中，各種故障及意外情況無法完全避免。隨著技術的進步，航天器上的儀器設備可能變得陳舊落后，無法保持理想性能，航天器壽命也會受到其可攜帶推進劑總量的限制。據統計，從第一顆人造地球衛星上天至今，全球發射的衛星數量在5000 顆以上，多數不再正常運轉。人們對待已經報廢的衛星，一般是在控制衛星用掉最后的燃料并減速后，任其重返大氣層燃盡。而對于一些軌道高度上萬千米的衛星來說，其自身攜帶燃料并不足以讓其減速到再入大氣層，所以結束任務后會利用自身動力攀升到更高的“墓地軌道”，在那里“孤獨終老”。

但是，人造衛星往往造價高昂，高軌通信衛星更是如此，單是衛星本身的成本就常達數億美元。因此，如能用比較經濟的辦法延長衛星使用壽命，使其被充分利用，其價值將頗為可觀，而這就讓在軌服務技術有了用武之地。

顧名思義，“在軌服務”就是在地球軌道上開展各種維修維護業務，通過加注燃料、修理或更換受損零件等，延長航天器壽命，提升其執行任務的能力。其實在人類擁有載人航天能力之后，在軌服務就已經開始。1973年5月美國空間站“天空實驗室”發生故障，隨后一艘“阿波羅”飛船對接“天空實驗室”，兩批美國航天員出艙對熱控和太陽電池翼進行了維修，空間站恢復正常運行。

航天飛機問世后，其出色的運載能力為在軌服務提供了更合適的平臺。1984年美國“挑戰者”號航天飛機利用機械臂捕獲了SMM太陽探測器，對發生故障的姿態控制系統進行修復，還更換了一些電子元件和碟形天線，是在軌服務史上的經典案例。

航天大國的“寵兒”

雖然航天飛機已經退役，人類的太空活動卻日益增多，對在軌服務的需求有增無減。近年來，隨著無人在軌服務飛行器所需要的在軌接近、捕獲、操縱、調整、修理、燃料補給、集成以及建造等技術逐漸發展成熟，與之相關的航天項目也不斷進入公眾視野。

美國的在軌服務水平領先于其他國家，目前已在開展和計劃開展的在軌服務項目主要有：“自主交會技術驗證衛星”“試驗衛星服務系統”“軌道快車”“微小衛星技術試驗”“軌道通用軌道修正航天器”“前端機器人使能近期演示驗證”“鳳凰計劃”，等等。其中“鳳凰計劃”由美國國防高新技術實驗局自2012年開始實行，準備研制裝有機械手的小衛星，將其發射入軌并依附于廢棄或損壞的衛星之上，既能從目標衛星上回收有用零部件，也可將目標衛星改造成一顆新衛星，實現“涅槃重生”。

德國很重視空間機器人研究，目前已經進行和正在開展的空間在軌服務項目主要有“機器人技術試驗”（ROTEX）、“試驗服務衛星”和“軌道壽命延長飛行器”。ROTEX是德國生產的第一個空間在軌服務機器人，也是世界首個具有地面遙操作能力的空間機器人系統，可按自主模式、宇航員操作模式和各種地面遙操作模式運行，演示驗證各項關鍵技術。

中國的在軌服務技術近年來取得不小的進展。2015年曾有消息稱，中國航天科技集團公司五院502所自主研發了一款太空機器人（其初期版本曾在北京世界機器人大會上亮相），體積相當于一個寫字樓普通辦公工位。據稱這種機器人擁有設計獨特的機械臂，每條機械臂上安裝了數個“關節”，可獨立完成在軌添加燃料的操作。今年2月，國內有報道透露，天津大學現代機構學與機器人學中心康榮杰副教授團隊研發了一款新型連續體仿生機器人，它的本體由超彈性鎳鈦合金制作的中央骨架和3D打印技術制作的約束盤構成，外觀像一只靈巧的手臂。目前該成果已初步應用于“空間非合作目標捕獲”的研究，有望成為一名出色的“太空捕手”，上天處理失效衛星和太空碎片。

寓軍于民的“多面手”

本文開篇提到的美國諾斯洛普·格魯曼公司在在軌服務領域是比較知名的。該公司的“MEV-1”衛星去年成功地為已在軌工作16年的“Intelsat-901”通信衛星提供了延壽服務。此次“MEV-2”服務的“IS-10-02”衛星由原阿斯特里姆公司（現空客防務與航天公司）采用“歐星3000”平臺建造，于2004年發射入軌，主要用于提供寬帶和媒體分發服務，設計壽命13年，目前星上燃料所剩無幾。據悉，“MEV-2”自2021年3月初起一直在對該星開展近距離操作，通過向其靠近來校準和測試各系統，然后再退開。在對接成功后，兩者今后五年將保持這種狀態，以延長“IS-10-02”的使用壽命，再之后“MEV-2”將解除對接，以去執行新的任務。總的來說，“MEV-2”的功用就是充當那些功能正常但油料用盡的衛星的動力系統，讓它們再多運轉一段時間。

在軌維護技術的軍事應用潛力不容忽視。簡言之，在未來的太空沖突中，在軌維護技術可被用來恢復己方受損的航天器，從而起到削弱敵方打擊效果、抑制敵方打擊欲望的作用。在軌維護也具備破壞敵方航天器的潛能。比如，“MEV”衛星是通過自身專門對接機構與目標衛星的發動機噴管和星箭對接環結構進行捕獲對接。不難看出，這種在軌維護的方法實際是在“挾持”衛星，因此可以作為“共軌反衛技術”的一種。

過去，“共軌反衛技術”主要是通過使用反衛星衛星，以自爆、撞擊、發射武器等方式摧毀敵方衛星。但是，這種“太空殲滅者”造成的傷害往往難以挽回，會導致沖突驟然升級，所產生的碎片也可能引發太空災難。在軌維護技術則提供了一種更為靈活的手段。戰時，在軌維護衛星可以通過“強行對接”的方式，把敵方軍事通信衛星或導航衛星、偵察衛星推離軌道，使其無法完成任務;也可以依附在其他衛星身上，用機械手拆除一些零件，使之暫時失效，事后再看情況裝回去。另外，各國反近地軌道衛星技術日趨成熟，但對深空目標還沒有太多辦法，此次“MEV-2”服務的對象就位于深空靜地軌道，從側面印證了“MEV”的相關技術將來可以用于對付深空“非合作目標”的趨勢。