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空间自主在轨服务技术 0 空间在轨服务技术 随着宇宙技术的快速发展，空间飞机的结构和组成变得越来越复杂，其性能和技术水平也得到了提高。在这种情况下，确保空间飞机在复杂的空间环境下能够始终稳定地运行，这是空间技术领域必须尽快解决的重要问题。 早在上世纪七八十年代,研究人员便开始研究空间在轨服务技术,即对空间飞行器实施在轨装配、修理和维护等操作。拥有这项技术可对空间的故障飞行器实现在轨修理,而不是重新发射予以替代;通过维护和对载荷升级,可有效延长空间飞行器的使用寿命、增强其系统能力;此外,在轨服务技术也为未来的军事化空间提供快速、高效的后勤保障,并也可直接对目标实施捕获、攻击,从而大幅度提高空间作战能力。 在过去的二十多年中,各国研究机构进行了一系列地面、空间论证实验和应用研究,结果表明空间在轨服务不仅在技术上是可行的,而且具有巨大的研究、发展空间。 本文首先给出了空间在轨服务的概念,提出了具体的服务任务,介绍了目前该技术的研究现状,分析了未来的发展趋势和关键技术,并着重介绍了空间自主在轨服务技术中的自主控制技术。 1 在轨装配的大型结构 空间在轨服务(On-Orbit Servicing,简称OOS)就是指在太空中通过人、机器人(或类机器人卫星)或两者协同来完成涉及延长卫星、平台、空间站附属舱和空间运载器寿命和能力的空间装配、维护和服务(Space Assembly,Main-tenance and Servicing,简称SAMS)任务。 任何航天运载工具的运载能力都是有限的,对于空间重型或大型结构就必须在太空中实施在轨装配。此外,在太空这样的复杂环境中,所有空间飞行器随时都有可能由于失效、退化或废弃而失去价值,重新发射替代飞行器只能导致成本倍增,但利用空间维护和服务技术就可有效解决这一问题。空间在轨服务的范围包括非常广泛的装配、维护和服务操作功能。 (1) 空间装配是指在空间中将不同的部件连接起来构建成一个结构、子系统或子系统的单元体等空间设施,它包括空间飞行器、空间系统或空间结构的在轨连接、构建或组装,小到如电池阵、天线的安装与展开,大到大型独立舱段的在轨对接,以及更大规模的大型空间结构的构建; (2) 空间维护是指按照必要的或指定的计划程序来维持空间设施或设备,它包括观察、监视、检查、诊断、表面修补、维修、部件替换、污染物清除、测试、检验等维护性活动,但不包括消费品的补给; (3) 空间服务主要是指空间飞行器可消耗品的替换等后勤保障任务,包含消费品和消耗品的补给,如流体物质(包括液体和压缩气体)的直接输送、流体贮箱的替换和可包装的消费品(如电池或胶片)的替换等。广义上,空间服务还包括空间系统在太空中的捕获、取回、发射、再推进和恢复、空间碎片的捕获或抑制以及营救宇航员等操作。 2 空间走廊服务研究现状和发展 2.1 空间在轨服务 有人参与或主导的空间在轨服务技术的研究与实践已有数十年的历史,美国曾投入大量经费重点发展航天飞机计划,用来支持空间在轨服务,并且也多次使用“挑战者”、“哥伦比亚”号等航天飞机执行在轨修理、回收、释放、重展开等在轨服务任务,宇航员多次实施出仓操作。 自1984年起空间在轨服务已从概念研究转向现实操作,重要的空间在轨服务事件有: (1) 美国使用航天飞机对Solar Maximum Mission(SMM)卫星实时在轨捕获和修复。此次任务的目的主要是测试航天飞机在轨服务的应用能力。1984年4月10日,航天飞机(挑战者号)利用遥控系统和机械臂捕获SMM卫星,并于次日,修复了该卫星的姿态控制系统,更换了一些电子元件箱和一个碟形卫星天线。SMM卫星就成为人类历史上第一个利用航天飞机进行在轨捕获、维修的空间飞行器。 (2) SYNCOM IV-3通信卫星在轨取回、修理和重新在轨释放。1985年4月,美国利用航天飞机在轨释放SYNCOM IV-3通信卫星,发射后该卫星未能正常启动,为此航天飞机与其交汇伴飞,并由两名宇航员对其进行手动启动,但未能取得成功。1985年8～9月,航天飞机再次与其交汇并由两名宇航员手动取回至载荷舱,为其重新安装新的电池和启动装置,并将卫星再次在轨释放,卫星成功启动。 (3) 1991年5月,美国应用航天飞机捕获并回收了在轨失效的Intelsat 6/F3通信卫星。首次使用三名宇航员手动将卫星取回至载荷舱,并重新安装火箭发动机,而后成功将其在轨释放。 空间装配、维护和服务功能固有的可行性保证了这些空间任务的成功。同时,这些空间在轨服务的成功也证明了这项新技术的可行性。 目前,接受空间在轨服务最多的对象是国际空间站,它成功接受了大量、广泛、持续的空间在轨服务活动。由于国际空间站对于任何运载工具而言体积和重量都过于庞大,因此只能进行空间在轨装配;且国际空间站非常昂贵,必须依赖空间在轨服务