國外載人航天在軌服務(wù)技術(shù) 發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)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(wù)技術(shù) 發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)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(fù)雜空間環(huán)境中長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，已成為空間技術(shù)發(fā)展的重要目標(biāo)。20世紀(jì)60年代，研究人員提出了“在軌服務(wù)”的概念，由此開創(chuàng)了空間在軌服務(wù)技術(shù)這一新的領(lǐng)域?？臻g在軌服務(wù)（OOS）是指在太空中通過人、機(jī)器人（或類機(jī)器人航天器）或兩者協(xié)同來完成涉及延長航天器、平臺(tái)、空間站附屬艙和空間運(yùn)載器壽命及能力的空間裝配、維護(hù)、維修等空間操作。

空間在軌服務(wù)技術(shù)經(jīng)歷了從有人服務(wù)到無人自主服務(wù)的發(fā)展和過渡，雖然呈現(xiàn)出高度自主化的趨勢(shì)，但曾在很長一段時(shí)期內(nèi)，通過有人服務(wù)積累了大量經(jīng)驗(yàn)，試驗(yàn)了相關(guān)技術(shù)，為后續(xù)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。與此同時(shí)，在可預(yù)見的將來，人類和機(jī)器人不可能相互取代。因此，進(jìn)一步擴(kuò)展人類與機(jī)器人的交互與協(xié)同，實(shí)現(xiàn)有人與自主相結(jié)合的在軌服務(wù)，也是未來載人航天在軌服務(wù)的重要發(fā)展方向之一。

1 國外空間在軌服務(wù)技術(shù)發(fā)展概述

有人在軌服務(wù)技術(shù)發(fā)展概述

有人參與或主導(dǎo)的空間在軌服務(wù)技術(shù)的研究與實(shí)踐已有數(shù)十年歷史。1965年3月，蘇聯(lián)航天員列昂諾夫完成了人類第一次艙外活動(dòng)（EVA）。1973年，美國航天員在艙外活動(dòng)中成功維修了“天空實(shí)驗(yàn)室”（Skylab）上未能正常展開的太陽電池翼，由此開創(chuàng)了航天員在艙外進(jìn)行在軌服務(wù)作業(yè)的歷史，并充分證明了有人在軌服務(wù)的應(yīng)用價(jià)值。從20世紀(jì)90年代至今，空間在軌服務(wù)技術(shù)得到了更廣泛的應(yīng)用，以美國、俄羅斯為代表的有人在軌服務(wù)技術(shù)已趨于成熟。

1）“哈勃空間望遠(yuǎn)鏡”（HST）的維修和維護(hù)。“哈勃空間望遠(yuǎn)鏡”于1990年4月由發(fā)現(xiàn)號(hào)（Discovery）航天飛機(jī)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(duì)它的在軌服務(wù)，最終延長了其使用年限，且每次服務(wù)都使其功能得到提升，性能與可靠性得到顯著提高。

2）對(duì)“國際通信衛(wèi)星”（lntelsat）的在軌服務(wù)。國際通信衛(wèi)星－603在1990年發(fā)射升空后星箭無法分離，導(dǎo)致衛(wèi)星被留在近地軌道。國際通信衛(wèi)星組織（現(xiàn)已更名為國際通信衛(wèi)星公司）委托NASA發(fā)射近地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)替換件提升軌道。1992年，在奮進(jìn)號(hào)（Endeavour）航天飛機(jī)首飛任務(wù)中，航天飛機(jī)與該衛(wèi)星交會(huì)并進(jìn)行在軌捕獲，航天員執(zhí)行艙外活動(dòng)，在衛(wèi)星上安裝了1臺(tái)新的近地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)，成功將衛(wèi)星推入預(yù)定轉(zhuǎn)移軌道，最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)該衛(wèi)星的重新部署。

3）空間站組裝和維護(hù)。和平號(hào)空間站（Mir）從1986年2月升空到2001年3月離軌，共運(yùn)行15年，其間故障頻發(fā)，多達(dá)1500次。經(jīng)過100多名航天員的在軌維修和維護(hù)，和平號(hào)才能實(shí)現(xiàn)超期服役?！皣H空間站”（ISS）是接受在軌服務(wù)的最典型范例之一，對(duì)它的在軌服務(wù)除了維修、更換設(shè)備等行為以外，還包括大規(guī)模的在軌裝配服務(wù)，使美國、俄羅斯等航天大國積累了豐富的在軌服務(wù)經(jīng)驗(yàn)。

航天員站在加拿大機(jī)械臂－2上

自主在軌服務(wù)技術(shù)發(fā)展概述

近年來人工智能、機(jī)器人等新興技術(shù)飛速發(fā)展，為自主在軌服務(wù)提供了良好的基礎(chǔ)。美國是自主在軌服務(wù)的先行者，NASA和美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）都很重視自主在軌服務(wù)能力開發(fā)。歐洲國家中，德國對(duì)在軌服務(wù)的研究由來已久，技術(shù)水平很高，正在將服務(wù)范圍從低軌擴(kuò)展到高軌?？臻g機(jī)器人是加拿大開展航天活動(dòng)的支柱之一，加拿大研制并建造的幾代空間機(jī)械臂系統(tǒng)及與美國合作開展的機(jī)器人燃料加注計(jì)劃，都是瞄準(zhǔn)在軌服務(wù)的應(yīng)用領(lǐng)域。日本的大型空間機(jī)械臂研制水平接近加拿大，通過開展一系列試驗(yàn)任務(wù)，初步掌握了在軌服務(wù)關(guān)鍵技術(shù)。

2 “國際空間站”艙外活動(dòng)概況

在“國際空間站”的建造和全面應(yīng)用階段，航天員通過執(zhí)行艙外活動(dòng)完成了各種在軌服務(wù)任務(wù)。截至2016年5月31日，已進(jìn)行193次專用于“國際空間站”組裝和維護(hù)的艙外活動(dòng)，總時(shí)長為1204h47min，其中28次艙外活動(dòng)從到訪航天飛機(jī)出發(fā)，117次任務(wù)從尋求號(hào)（Quest）氣閘艙出發(fā)，46次從碼頭號(hào)（Pirs）對(duì)接艙出發(fā)，還有2次從星辰號(hào)（Zvezda）服務(wù)艙前端的轉(zhuǎn)移艙出發(fā)。

“國際空間站”艙外活動(dòng)系統(tǒng)

氣閘艙是“國際空間站”主要的加壓過渡艙，設(shè)計(jì)目的是為身著航天服的航天員做艙外活動(dòng)前的準(zhǔn)備工作。尋求號(hào)氣閘艙于2001年7月由阿特蘭蒂斯號(hào)（Atlantis）航天飛機(jī)發(fā)射升空，之后與“國際空間站”的節(jié)點(diǎn)-1艙聯(lián)接。尋求號(hào)氣閘艙長6m，直徑3.9m，質(zhì)量6.5t，由乘員氣閘和設(shè)備氣閘兩部分組成。2001年9月，俄羅斯碼頭號(hào)對(duì)接艙抵站。

由乘員氣閘和設(shè)備氣閘組成的尋求號(hào)氣閘艙

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

“艙外機(jī)動(dòng)裝置”是由幾個(gè)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(tǒng)（PLSS）包含了必要的設(shè)備和消耗品。以“艙外機(jī)動(dòng)裝置”為基礎(chǔ)的艙外活動(dòng)標(biāo)稱計(jì)劃為7h，此外，配備了一個(gè)提供30min備用氧氣供應(yīng)的副氧包?！昂ｚ棥毕盗泻教旆榇笮】烧{(diào)的航天服，穿上時(shí)幾乎不需要組裝，像一扇門一樣打開，讓乘員可以進(jìn)出航天服。以“海鷹”為基礎(chǔ)的艙外活動(dòng)標(biāo)稱計(jì)劃為5h，同樣有30min的應(yīng)急氧氣供應(yīng)。

與航天飛機(jī)不同，空間站不能機(jī)動(dòng)救援自由漂浮的艙外活動(dòng)乘員。美國航天員使用“艙外活動(dòng)簡易救生裝置”（SAFER），它是一種獨(dú)立的、有推進(jìn)力的背包自救系統(tǒng)。這種裝置結(jié)構(gòu)小巧簡單，安放在艙外活動(dòng)航天服的背包下方，質(zhì)量為38.25kg，有24個(gè)小推力發(fā)動(dòng)機(jī)，可做六自由度的機(jī)動(dòng)控制，工作時(shí)間為13min。

除上述系統(tǒng)以外，站上還有大量專用艙外活動(dòng)工具和約束器，保障作業(yè)順利完成。

美國“艙外機(jī)動(dòng)裝置”

俄羅斯海鷹－M航天服

“國際空間站”航天員進(jìn)行艙外活動(dòng)

艙外活動(dòng)操作

一次艙外活動(dòng)前后需進(jìn)行很多操作，包括艙外活動(dòng)前準(zhǔn)備氣閘艙、檢查航天服和防止減壓病的預(yù)吸氧協(xié)議程序，以及艙外活動(dòng)后的航天服維護(hù)和氣閘艙處理等。航天員在出艙前要預(yù)先在氣閘艙內(nèi)呼吸純氧，用純氧取代體內(nèi)血液中的氮?dú)猓灶A(yù)防減壓病，這個(gè)過程稱為預(yù)吸氧。如果將預(yù)吸氧時(shí)間計(jì)算在內(nèi)，航天員艙外活動(dòng)全過程至少需要11h，其中真正在艙外的工作時(shí)間為6h。

艙外活動(dòng)發(fā)展

早期的“阿波羅”（Apollo）和“天空實(shí)驗(yàn)室”任務(wù)中，由于任務(wù)性質(zhì)和有限的貨物返回能力，大部分艙外活動(dòng)硬件被丟棄在月球表面或留在“天空實(shí)驗(yàn)室”上。20世紀(jì)70年代，因航天飛機(jī)提供返回系統(tǒng)硬件進(jìn)行整修、維護(hù)和故障調(diào)查的能力，任務(wù)設(shè)計(jì)者利用這種能力設(shè)計(jì)了“艙外機(jī)動(dòng)裝置”和相關(guān)硬件。

隨著航天飛機(jī)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(dòng)硬件可繼續(xù)使用。要解決的挑戰(zhàn)包括延長站上艙外活動(dòng)硬件的使用壽命和認(rèn)證期，保證使用備選運(yùn)載火箭安全發(fā)射艙外活動(dòng)硬件的能力，維持“艙外機(jī)動(dòng)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(jìn)一步向深空、向其他行星拓展，用于執(zhí)行在軌服務(wù)任務(wù)的艙外活動(dòng)系統(tǒng)和操作概念方案也需要隨之更新和演進(jìn)，以適應(yīng)復(fù)雜的空間環(huán)境和任務(wù)需求。

3 載人航天領(lǐng)域先進(jìn)在軌服務(wù)體系研究現(xiàn)狀和趨勢(shì)

“國際空間站”作為先進(jìn)在軌服務(wù)技術(shù)試驗(yàn)平臺(tái)的應(yīng)用

“國際空間站”是長期在軌的大型空間基礎(chǔ)設(shè)施，使其成為驗(yàn)證有人和無人在軌服務(wù)系統(tǒng)的天然平臺(tái)。已利用“國際空間站”上的機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行過多次在軌服務(wù)作業(yè)試驗(yàn)，驗(yàn)證了眾多關(guān)鍵技術(shù)，其中最矚目的是近年開展的“機(jī)器人燃料加注任務(wù)”（RRM）。

“機(jī)器人燃料加注任務(wù)”由NASA和加拿大航天局（CSA）共同開發(fā)，設(shè)計(jì)利用“國際空間站”上的“靈巧專用機(jī)械手”（Dextre）驗(yàn)證遙控機(jī)器人的在軌服務(wù)能力。為滿足任務(wù)要求，NASA戈達(dá)德航天中心為“靈巧專用機(jī)械手”設(shè)計(jì)了一個(gè)模塊和工具包?！皺C(jī)器人燃料加注任務(wù)”模塊搭載航天飛機(jī)發(fā)射，于2011年7月抵達(dá)站上，安裝在“國際空間站”的外部平臺(tái)上，總質(zhì)量約250kg，有典型衛(wèi)星上常見的28種零部件：噴管、閥門和電線等。“機(jī)器人燃料加注任務(wù)”模塊內(nèi)也存有4種供“靈巧專用機(jī)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(jī)器人燃料加注任務(wù)”硬件結(jié)構(gòu)圖

“機(jī)器人燃料加注任務(wù)”標(biāo)志著“靈巧專用機(jī)械手”的首次非“國際空間站”維護(hù)性作業(yè)及首次用于研究和開發(fā)項(xiàng)目，并例證了“國際空間站”逐步被用作技術(shù)試驗(yàn)平臺(tái)的過程。“機(jī)器人燃料加注任務(wù)”分為兩個(gè)階段：第一階段驗(yàn)證可用于服務(wù)和加注在軌衛(wèi)星的新技術(shù)、新工具和新技能；第二階段始于2015 年4月，在“機(jī)器人燃料加注任務(wù)”模塊上安裝新硬件，進(jìn)一步驗(yàn)證上述機(jī)器人能力。

有人在軌服務(wù)先進(jìn)體系概念研究

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

2011年，NASA和DARPA開展了一項(xiàng)聯(lián)合研究，考查可用于對(duì)GEO上航天器提供有人在軌服務(wù)的能力和體系方案，稱為“有人GEO服務(wù)”（MGS）研究。該研究的主要利益相關(guān)方為DARPA戰(zhàn)術(shù)技術(shù)處、NASA首席技術(shù)專家辦公室和當(dāng)時(shí)的NASA空間運(yùn)行任務(wù)部。該研究主要關(guān)注能力和技術(shù)，并非用于提出或評(píng)斷具體方案，也不指定具體服務(wù)對(duì)象，研究目的是為將來5～10年內(nèi)的有人在軌服務(wù)任務(wù)評(píng)估和預(yù)測(cè)技術(shù)、方案和架構(gòu)。

“有人GEO服務(wù)”研究的頂層架構(gòu)要素包括：①居住艙/服務(wù)體，維持3名乘員在GEO生存60天，支持2人艙外活動(dòng)，在2次載人任務(wù)之間的間隔期可自主運(yùn)行最多6個(gè)月；②乘員運(yùn)輸飛行器，將人類乘員安全運(yùn)送至GEO目標(biāo)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(huán)境中休眠60天；③太空拖船，捕獲非合作目標(biāo)航天器，重定位GEO航天器或其他組成部分，至少在GEO環(huán)境中運(yùn)轉(zhuǎn)5年；④運(yùn)載器和上面級(jí)，近地軌道運(yùn)載能力14.6t。

團(tuán)隊(duì)主要考慮2種“有人GEO服務(wù)”方案：①GEO直接入軌和返回；②GEO往返軌道轉(zhuǎn)移。方案1包括2個(gè)自動(dòng)拖船，用于移動(dòng)服務(wù)對(duì)象往返于原位置與GEO雙用居住艙/服務(wù)體之間；方案2僅包含GEO上的居住艙/服務(wù)體，可自主機(jī)動(dòng)至服務(wù)位置，無需拖船。整個(gè)研究的其中一部分是專門評(píng)估在地球、近地軌道和GEO航天器服務(wù)位置之間高效轉(zhuǎn)移乘員的能力。乘員轉(zhuǎn)移方案權(quán)衡包含從“雙子星座”（Gemini）型太空艙到有翼升力體飛行器在內(nèi)的各種方案。服務(wù)任務(wù)可分解為以下幾個(gè)標(biāo)稱階段：交會(huì)、檢測(cè)、捕獲、服務(wù)和分離。該研究不考慮全由機(jī)器人執(zhí)行的無人服務(wù)備選方案，盡管為提高有人服務(wù)的效率，大量使用了機(jī)器人系統(tǒng)。由于GEO環(huán)境惡劣，適合途徑是為最復(fù)雜的一部分作業(yè)預(yù)留人類乘員艙外活動(dòng)時(shí)間，而允許機(jī)器人執(zhí)行其余作業(yè)。具體來說，包括：①計(jì)劃在任何可行的時(shí)候使用機(jī)器人系統(tǒng)，同時(shí)權(quán)衡新工具開發(fā)和乘員暴露時(shí)間；②計(jì)劃當(dāng)無可行或及時(shí)的機(jī)器人方案存在時(shí)，由人類乘員執(zhí)行艙外活動(dòng)；③可能的話，為每次機(jī)器人作業(yè)保留艙外活動(dòng)應(yīng)急預(yù)案。

“有人GEO服務(wù)”場景設(shè)想圖

該研究不受NASA當(dāng)前探索架構(gòu)的約束，但被允許選擇一條適于實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的途徑，其強(qiáng)調(diào)的能力提升亦與為NASA載人航天活動(dòng)提供開拓性的目標(biāo)相契合。“有人GEO服務(wù)”基礎(chǔ)設(shè)施組成部分及相關(guān)實(shí)施技術(shù)更具價(jià)值，因其有可能推動(dòng)實(shí)現(xiàn)更富成效的載人航天探索途徑。

4 結(jié)語

在全球范圍內(nèi)，在軌服務(wù)已被多個(gè)國家和地區(qū)空間機(jī)構(gòu)確定為一項(xiàng)支持空間自主性和擴(kuò)展性的關(guān)鍵能力。數(shù)十年來，有人在軌服務(wù)為相關(guān)技術(shù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，且在可預(yù)見的將來，人類和機(jī)器人不可能相互取代。因此，實(shí)現(xiàn)有人與自主相結(jié)合的在軌服務(wù)是未來在軌服務(wù)發(fā)展的趨勢(shì)之一。

我國開展在軌服務(wù)研究時(shí)間較晚，無論研究還是應(yīng)用都處于起步階段。當(dāng)前，在軌服務(wù)重大科技專項(xiàng)已經(jīng)列入我國國家日程，應(yīng)把握好這次機(jī)遇，助推我國空間在軌服務(wù)技術(shù)乃至空間技術(shù)整體和航天工業(yè)的發(fā)展。

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