延壽服務開創(chuàng)商業(yè)在軌服務新時代

文/ 田豐

▲ MEV-1對接后形成組合體想象圖

2020年2月25日，美國諾格創(chuàng)新系統(tǒng)公司的“任務擴展航天器”（Mission Extension Vehicle-1，簡稱MEV-1）順利捕獲停泊在“墓地軌道”的退役通信衛(wèi)星Intelsat-901。兩顆衛(wèi)星在形成剛性連接后，MEV-1先“挾持”Intelsat-901衛(wèi)星進入新的工作軌道，并替代衛(wèi)星自身推進系統(tǒng)提供保位服務，從而為這顆推進劑耗盡的衛(wèi)星延長3～5年的壽命。

4月17日諾格創(chuàng)新系統(tǒng)公司宣布Intelsat-901已經(jīng)返回地球同步軌道且重新定點，并于4月2日重新開始提供通訊服務。此次延壽服務預計將持續(xù)五年，到2025年結束。此次延壽結束后，MEV-1將繼續(xù)為其他類似退役衛(wèi)星提供“續(xù)命”服務。這是人類首次以購買“延壽服務”的形式為在軌航天器提供支持，被稱之為“商業(yè)化在軌服務”第一單。

▲ “諾格”任務擴展航天器（MEV-1)在廠房

愛你在心口難開

這一單業(yè)務可謂來之不易，因為對一顆昂貴的靜止軌道通信衛(wèi)星而言，大部分入軌重量都被用來抬升軌道和姿控保位的推進劑所占據(jù)，一旦推進劑耗盡，即使星上設備依然正常，也不得不忍痛將其退役。其實這些衛(wèi)星僅需補加推進劑，就能發(fā)揮“余熱”繼續(xù)服務，因此早在上世紀60年代，航天器在軌服務（包括在軌加注）的概念就已提出。但歷經(jīng)幾十年發(fā)展后，商業(yè)衛(wèi)星的在軌服務依舊未能實用化。尤其是在軌加注推進劑，該技術需要衛(wèi)星在升空之前就設計有加注接口，額外增加了衛(wèi)星成本和技術風險。因此衛(wèi)星制造商普遍認為，需要在軌補加技術成熟后再設計加注接口，而在軌服務商則認為先普及接口才能開展實驗并使之成熟。最終陷入了“應該先有雞還是先有蛋”的死循環(huán)，遲遲未能商用。長期以來，它僅停留在部分軍用和技術驗證項目上，其中具有代表性的就是美國國防高級研究項目局（DARPA）的“軌道快車”計劃和后續(xù)的“鳳凰”計劃。

電推變軌，順利“挾持”

與其他在軌服務項目類似，MEV的發(fā)展也頗為坎坷，其概念最早始于2011年軌道·ATK公司出資50%成立的合資公司Vivisat。但該公司在2016年宣布倒閉，項目歸屬軌道·ATK公司。同年，MEV終于獲得啟動客戶Intelsat的首個訂單，但不料2018年項目再度易手，軌道· ATK公司被諾·格公司收購，成為“諾格創(chuàng)新系統(tǒng)”。2019年10月，歷經(jīng)波折的MEV-1搭載質子號運載火箭與Eutelsat 5 West B衛(wèi)星一同升空，正式開啟了此次商業(yè)化在軌服務。

MEV-1能率先商用的關鍵在于其設計上不再糾結于使用被服務衛(wèi)星自身的推進系統(tǒng)，也不為其加注推進劑，而是利用所有大型商業(yè)衛(wèi)星幾乎都具備的發(fā)動機噴管和星箭對接環(huán)結構。首先MEV-1的對接探頭穿過被服務衛(wèi)星發(fā)動機噴管狹窄的喉部，在發(fā)動機燃燒室內展開鎖緊機構，隨后拉近兩星距離，以對接“非合作目標”的方式“挾持”被服務衛(wèi)星，直至卡住對接環(huán)并鎖緊，最終形成剛性連接。之后，MEV-1代替被服務衛(wèi)星的推進系統(tǒng)，幫助其變軌、維持姿態(tài)和保持位置，被服務衛(wèi)星的轉發(fā)器則繼續(xù)正常工作。

此次服務對象Intelsat 901衛(wèi)星由勞拉空間系統(tǒng)公司制造，于2001年6月由阿里安4運載火箭發(fā)射升空，設計壽命13年，工作16年后被更強大的高通量衛(wèi)星Intelsat-37e衛(wèi)星替代。Intelsat-901進入墳墓軌道瀕臨退役，但星上大部分轉發(fā)器仍可正常工作，因此被選為MEV-1的首個服務對象。

▲ 測試中的MEV-1

目前MEV-1和Intelsat-901形成組合體后正在進行一系列測試，測試結束后即可返回靜止軌道恢復通訊服務。而5年的延壽完成后，MEV-1會將其重新推入墳墓軌道，從而讓出軌位，而MEV-1可以為其他衛(wèi)星繼續(xù)進行延壽服務。有趣的是，MEV-1還需要獲得美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）的許可，這是因為MEV-1具有用于對接的攝像頭，該攝像頭也可“順便”對地球成像，因此需要遙感許可證。

靈活平臺，軍民兩用

▲ 諾格公司的控制室

MEV-1總重2.3噸，設計壽命長達15年，基于原軌道· ATK公司的GEOStar衛(wèi)星平臺研發(fā)。該平臺結構緊湊，設計敏捷，可以適應多種任務類型。比如美國空軍（現(xiàn)已隸屬太空軍）的“同步軌道空間態(tài)勢感知項目”（GSSAP），就是采用的GEOStar平臺。該項目首批兩顆衛(wèi)星于2014年發(fā)射升空，任務目標是對同步軌道上他國航天器進行跟蹤和監(jiān)視。入軌后，兩星分別沿著地球靜止軌道的上方和下方漂移，因此僅需一次抵近就對目標星進行全面成像。迄今為止，該項目已經(jīng)發(fā)射4顆衛(wèi)星。據(jù)報道這批衛(wèi)星非?；钴S，數(shù)年間進行了累計上百次軌道機動，借此對各國的多顆靜止軌道衛(wèi)星進行了抵近成像。該項目在同步軌道的大量機動和交會對接為同一平臺的MEV-1積累了經(jīng)驗和技術。但MEV-1相對“同步軌道空間態(tài)勢感知項目”的抵近偵察更為復雜，因為MEV-1還需與目標對接并挾持其變軌。而且對接目標Intelsat-901是理論上的“非合作目標”，所以MEV-1可視為“破壞”或“挾持”他國航天器的“演習”，從技術上又反哺了“同步軌道空間態(tài)勢感知項目”及其他后續(xù)的軍用項目。

除此之外，MEV-1還結合了美國天鵝座貨運飛船交會對接技術，使用電推進行升軌保位，化學推進器執(zhí)行交會對接。還有，MEV-1使用的對接機構借鑒了哈勃空間望遠鏡的有人在軌維護時的設計，此外還從美國宇航局獲得了部分技術援助。

需求強勁，改型可期

目前MEV-1僅有Intelsat一家客戶，但據(jù)統(tǒng)計Intelsat至少還有6顆在軌的通信衛(wèi)星可交由MEV服務，因此需求依然強勁，功能與MEV-1類似的MEV-2正在制造且預計于年底搭載升空。

▲ MEV-1利用電推推動Intelsat-901想象圖

▲ 對接過程，可見噴管和MEV-1的探針

▲ MEV-1在對接過程中“偶然”對地成像

MEV-1的服務模式受Intelsat青睞是有原因的。首先，MEV-1采用成熟平臺，利用電推降低重量，還采用搭載發(fā)射方式入軌，從而大幅降低發(fā)射成本。其次，近年來以Viasat為代表的高通量靜止軌道通信衛(wèi)星報價居高不下，而以星鏈（Starlink）為代表的低軌互聯(lián)網(wǎng)星座來勢洶洶，重金采購大批替代星存在一定風險。因此對于Intelsat擁有的一批星上設備依然完好，但推進劑耗盡的衛(wèi)星而言，每年為MEV-1支付1300萬美元延壽費用，使退役衛(wèi)星“起死回生”顯然比替代發(fā)射更具性價比和靈活性。由于待服務衛(wèi)星大多當年由“阿里安”和質子火箭發(fā)射，星箭接口基本統(tǒng)一，因此公司表示目前靜止軌道上80%的商用通信衛(wèi)星都與MEV-1的對接系統(tǒng)兼容。

但目前的服務模式仍有不足之處。MEV在整個延壽期間都必須與被服務衛(wèi)星連接，時刻被占用，因此MEV-2之后，諾格創(chuàng)新系統(tǒng)公司暫時不打算制造新的MEV延壽航天器。而最理想的在軌服務航天器，應在維修或加注完成后就可以分離待命或準備下一次任務。這樣一來，任務周期可以大幅縮短，服務效率和可服務對象數(shù)量也大幅增加。這正是未來真正在軌服務的方向?！爸Z格”正在研發(fā)的下一代在軌服務平臺MRV（Mission Robotic Vehicle）就是這個思路，每個MRV帶有多個任務擴展艙，每個擴展艙都可以安裝到被服務星上并充當獨立的推進系統(tǒng)，且無需MRV一直駐留，可以做到“一機對多星”，并且“裝完就走”。諾格創(chuàng)新系統(tǒng)公司表示該系統(tǒng)目前已有三家意向客戶，并預計于2024年發(fā)射入軌。

總的來講，MEV并非理想中的在軌服務形式。但MEV的成功是值得肯定的，它并不追求一步到位式的在軌服務，而是退而求其次，盡快成型并獲得商業(yè)盈利，逐步樹立市場信心，培育客戶的同時支撐后續(xù)在軌服務的升級迭代，同時也搶在其他在軌服務企業(yè)之前占領市場。最關鍵的是它打響了“商業(yè)在軌服務”的第一槍，讓航天飛機時代在軌服務的經(jīng)驗和近年來機器人在軌服務的技術積累終于有了實用化的途徑。不僅如此，部分軍用技術也借此民用化，而部分在軌服務技術借商業(yè)化平臺得到驗證和成熟后又可以支持軍用，形成互利互補的局面，其思路值得借鑒。