在轨服务：反传统航天之道而行之

文/ 张雪松

▲ 1993年在轨修复哈勃空间望远镜

▲ 和平号多舱式空间站

▲ 美国军事轨道快车项目

传统航天模式下，航天器追求高可靠性，为了实现长寿命从基础的元器件开始精挑细选，力保设计寿命内不出问题。但是事实上，一些昂贵的在轨卫星，因为火箭半路抛锚、卫星软件故障、恶劣的空间环境影响等因素，不能再提供服务的情况并不少见。随着空间技术的飞速发展，在轨服务也越来越多受关注，成为航天企业的新宠。

在轨服务的概念

随着空间技术的发展，航天器的组成结构和功能日益复杂，地面精工细作出佳作的传统模式，虽然还能满足航天发展对航天器持久稳定运行的需求，但在轨服务的概念也越来越多被重视。你能想象成千上万的民航客机，只是耗尽了燃料就被遗弃么？而这居然是卫星的现实归宿，在轨服务的概念，某种意义上说就是受此启发和激励的结果。

在轨服务，顾名思义就是在轨道上提供服务，通俗地说就是在轨道上组装和维修航天器，从而降低航天器的综合成本，提高航天器的性能。

在轨服务包括在轨延寿、机器人操作、发射后轨道修正服务、重新定轨业务、离轨服务等操作。通过在轨服务对航天器进行维护，可以有效的延长使用寿命。当航天器出现故障时，通过在轨服务进行修复，免去了地面重新发射的麻烦和高额费用；如果航天器用的技术过时了，在轨服务又能对它进行更新升级，延长寿命的同时还能增强性能。简而言之，在轨服务的理念和传统航天模式截然相反，更注重在地球轨道上解决问题。除此之外，在轨组装也是在轨服务的重要分支，火箭的运载能力是有限的，而我们对航天器的要求与日俱增，对于大型或重型航天结构，在轨组装就成了必不可少的工作。我们熟悉的多舱空间站，就是典型的在轨组装。

在轨服务的历史

在轨服务并非刚刚兴起的新概念，如果将载人航天考虑进来，在轨服务已经有数十年的历史了。

1973年5月美国发射了试验空间站——天空实验室，但土星五号火箭起飞后，遮阳罩和一个太阳翼被高速气流冲掉，导致天空实验室温度剧升发生故障，随后一艘阿波罗飞船对接天空实验室，3名航天员在轨修理解决了温控问题，让它恢复正常。

礼炮7号空间站的挽救任务更为著名。1985年2月苏联礼炮7号空间站和地面失去联系，同年6月6号联盟T-13号飞船发射随后成功对接“礼炮7号”，两名航天员经过数天奋战，解决了空间站电源短路等关键故障，让“礼炮7号”从冻死状态起死回生。“礼炮7号”和天空实验室的故障，如果没有航天员的在轨修复，它们都只能直接退役，造成巨大的资源浪费，在轨维修的价值可见一斑。

▲ 航天飞机捕获的西联-6号通讯卫星

▲ 联盟T-13拯救礼炮7号空间站

航天飞机的出现，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，并于次日修复了出故障的姿态控制系统，还更换了一些电子元件和碟形天线，这是航天飞机首次登上在轨维修的舞台。1984年，美国发现号航天飞机捕获了在轨转移失败的西联-6号通信卫星并带回地面，后来它被亚洲卫星公司买下命名为“亚洲一号”，1990年我国使用长征三号火箭成功发射了这颗卫星。航天飞机在轨维护，最著名的当属哈勃空间望远镜的维护，正是航天飞机修好了“哈勃”的“近视眼”，让它以30岁高龄仍活跃在空间天文舞台上。

▲ 航天飞机SSM望远镜拯救任务

商业航天的热门

2020年2月11日，美国NSR发布了《在轨服务与空间态势感知市场报告（第三版）》。报告列出了在轨服务的五大市场，并且NSR在其报告的第一版就曾预测，在轨服务市场规模在未来10年间将达到30亿美元。这让其成为商业航天领域的热门话题。商业公司关注的重点是利润，他们瞄准了利润丰厚的静止卫星市场。普通的静止轨道通信卫星价格贵寿命长，但也不时有出现故障的，更不要说燃料耗尽后好好的卫星就要寿终正寝了。

加拿大商业航天公司MDA和美国诺格创新系统公司都提出了在轨维护航天器概念，由于种种原因，MDA公司没能拉到客户，暂停了在轨服务计划，但美国诺格创新系统公司继续推动在轨服务计划，诞生了任务延寿飞行器（MEV）。MEV卫星设计相当独特，它以目标卫星的主发动机喷管为对接对象，而且并非在轨加注燃料，而是把本身当做目标通信卫星的服务舱，为它提供轨道维持能力。这样另辟蹊径的设计规避了困难的在轨加注问题，可谓独具匠心。

商业公司还注意到轨道碎片的问题。在轨服务中还有一项服务就是轨道碎片的捕获和清除。虽然看起来清除轨道碎片没有直接经济收益，但轨道碎片的数量和危害与日俱增，未来立法强制清除轨道碎片的可能性很大。目前多家商业航天公司瞄准轨道碎片清除业务，八仙过海各显神通提出张网捕获和电动系绳牵引等多种解决方案。这些方案未来如能投入使用，有望缓解轨道碎片加速增长的趋势。

军事航天的“新贵”

美军国防高级研究计划局（DARPA）提出并实践了空间自主在轨服务试验研究，主要包括实验卫星系统（XSS）和轨道快车系统，为未来的军用在轨服务验证技术、积累经验。

实验卫星系统是模块在轨服务概念（MOS）的产物，XSS-10和XSS-11两种实验星分别于2003和2005发射入轨，开展在轨服务实验。XSS-10验证了微小卫星紧密跟踪目标卫星的能力，而XSS-11还增加了成像系统，观测火箭末级和目标位性，并进行了自主交会和高精度伴飞实验。

▲ 在轨修复的太空实验室

▲ XSS-10

▲ XSS-11

轨道快车项目是美国DARPA牵头，波音公司、贝尔公司、诺格公司以及MDA公司联合实施的技术验证项目。轨道快车于2007年3月发射升空，它实际上是两颗卫星NextSat和ASTRO，发射成功后两颗卫星分离，ASTRO自主交会并使用机械臂捕获NextSat卫星，并为其加注燃料，还进行了更换组件操作，包括更换一块备用电池。轨道快车试验获得成功，自主交会和非合作对接，小型机械臂和捕获操作都得到了验证。不过尽管它试验了流体和零部件的传输，但这项技术还不成熟，需要进一步的研究试验，其技术潜力相当可观。“轨道快车”所验证的各项技术，稍加改变就是反卫星作战所需的太空掳星、共轨反卫星、卫星干扰等能力，具有广阔的军事前景。

轨道快车项目结束后，美国空军以及DARPA又启动后续项目，包括在轨检查的MiTEx项目、具备在轨服务潜力的X-37B小型航天飞机，以及利用僵尸卫星的凤凰计划。凤凰计划借用凤凰的重生能力，提出利用太空报废卫星组装新卫星的设想，尤其是利用静止轨道通信卫星的天线等耐用的有价值部分，变废为宝组装为新卫星。凤凰计划对外宣传使用验证在轨组装技术，不仅能提高本国卫星系统的抗毁和修复能力，削弱他国反卫星武器的威胁，同时也是肢解敌方卫星的杀手锏，其军用价值将对美军太空作战产生深远影响。