郭筱曦 （北京空間科技信息研究所）

國外載人航天在軌服務技術 發(fā)展現狀和趨勢分析

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雜空間環(huán)境中長時間穩(wěn)定運行，已成為空間技術發(fā)展的重要目標。20世紀60年代，研究人員提出了“在軌服務”的概念，由此開創(chuàng)了空間在軌服務技術這一新的領域?？臻g在軌服務（OOS）是指在太空中通過人、機器人（或類機器人航天器）或兩者協(xié)同來完成涉及延長航天器、平臺、空間站附屬艙和空間運載器壽命及能力的空間裝配、維護、維修等空間操作。

空間在軌服務技術經歷了從有人服務到無人自主服務的發(fā)展和過渡，雖然呈現出高度自主化的趨勢，但曾在很長一段時期內，通過有人服務積累了大量經驗，試驗了相關技術，為后續(xù)發(fā)展奠定了堅實基礎。與此同時，在可預見的將來，人類和機器人不可能相互取代。因此，進一步擴展人類與機器人的交互與協(xié)同，實現有人與自主相結合的在軌服務，也是未來載人航天在軌服務的重要發(fā)展方向之一。

1 國外空間在軌服務技術發(fā)展概述

有人在軌服務技術發(fā)展概述

有人參與或主導的空間在軌服務技術的研究與實踐已有數十年歷史。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（EVA）。1973年，美國航天員在艙外活動中成功維修了“天空實驗室”（Skylab）上未能正常展開的太陽電池翼，由此開創(chuàng)了航天員在艙外進行在軌服務作業(yè)的歷史，并充分證明了有人在軌服務的應用價值。從20世紀90年代至今，空間在軌服務技術得到了更廣泛的應用，以美國、俄羅斯為代表的有人在軌服務技術已趨于成熟。

1）“哈勃空間望遠鏡”（HST）的維修和維護?！肮臻g望遠鏡”于1990年4月由發(fā)現號（Discovery）航天飛機送入太空，至今已在軌服役26年，美國航空航天局（NASA）先后安排了5次針對它的在軌服務，最終延長了其使用年限，且每次服務都使其功能得到提升，性能與可靠性得到顯著提高。

2）對“國際通信衛(wèi)星”（lntelsat）的在軌服務。國際通信衛(wèi)星－603在1990年發(fā)射升空后星箭無法分離，導致衛(wèi)星被留在近地軌道。國際通信衛(wèi)星組織（現已更名為國際通信衛(wèi)星公司）委托NASA發(fā)射近地點發(fā)動機替換件提升軌道。1992年，在奮進號（Endeavour）航天飛機首飛任務中，航天飛機與該衛(wèi)星交會并進行在軌捕獲，航天員執(zhí)行艙外活動，在衛(wèi)星上安裝了1臺新的近地點發(fā)動機，成功將衛(wèi)星推入預定轉移軌道，最終實現了對該衛(wèi)星的重新部署。

3）空間站組裝和維護。和平號空間站（Mir）從1986年2月升空到2001年3月離軌，共運行15年，其間故障頻發(fā)，多達1500次。經過100多名航天員的在軌維修和維護，和平號才能實現超期服役?！皣H空間站”（ISS）是接受在軌服務的最典型范例之一，對它的在軌服務除了維修、更換設備等行為以外，還包括大規(guī)模的在軌裝配服務，使美國、俄羅斯等航天大國積累了豐富的在軌服務經驗。

航天員站在加拿大機械臂－2上

自主在軌服務技術發(fā)展概述

近年來人工智能、機器人等新興技術飛速發(fā)展，為自主在軌服務提供了良好的基礎。美國是自主在軌服務的先行者，NASA和美國國防高級研究計劃局（DARPA）都很重視自主在軌服務能力開發(fā)。歐洲國家中，德國對在軌服務的研究由來已久，技術水平很高，正在將服務范圍從低軌擴展到高軌。空間機器人是加拿大開展航天活動的支柱之一，加拿大研制并建造的幾代空間機械臂系統(tǒng)及與美國合作開展的機器人燃料加注計劃，都是瞄準在軌服務的應用領域。日本的大型空間機械臂研制水平接近加拿大，通過開展一系列試驗任務，初步掌握了在軌服務關鍵技術。

2 “國際空間站”艙外活動概況

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

“國際空間站”艙外活動系統(tǒng)

氣閘艙是“國際空間站”主要的加壓過渡艙，設計目的是為身著航天服的航天員做艙外活動前的準備工作。尋求號氣閘艙于2001年7月由阿特蘭蒂斯號（Atlantis）航天飛機發(fā)射升空，之后與“國際空間站”的節(jié)點-1艙聯(lián)接。尋求號氣閘艙長6m，直徑3.9m，質量6.5t，由乘員氣閘和設備氣閘兩部分組成。2001年9月，俄羅斯碼頭號對接艙抵站。

由乘員氣閘和設備氣閘組成的尋求號氣閘艙

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

“艙外機動裝置”是由幾個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）包含了必要的設備和消耗品。以“艙外機動裝置”為基礎的艙外活動標稱計劃為7h，此外，配備了一個提供30min備用氧氣供應的副氧包?！昂ｚ棥毕盗泻教旆榇笮】烧{的航天服，穿上時幾乎不需要組裝，像一扇門一樣打開，讓乘員可以進出航天服。以“海鷹”為基礎的艙外活動標稱計劃為5h，同樣有30min的應急氧氣供應。

與航天飛機不同，空間站不能機動救援自由漂浮的艙外活動乘員。美國航天員使用“艙外活動簡易救生裝置”（SAFER），它是一種獨立的、有推進力的背包自救系統(tǒng)。這種裝置結構小巧簡單，安放在艙外活動航天服的背包下方，質量為38.25kg，有24個小推力發(fā)動機，可做六自由度的機動控制，工作時間為13min。

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

美國“艙外機動裝置”

俄羅斯海鷹－M航天服

“國際空間站”航天員進行艙外活動

艙外活動操作

一次艙外活動前后需進行很多操作，包括艙外活動前準備氣閘艙、檢查航天服和防止減壓病的預吸氧協(xié)議程序，以及艙外活動后的航天服維護和氣閘艙處理等。航天員在出艙前要預先在氣閘艙內呼吸純氧，用純氧取代體內血液中的氮氣，以預防減壓病，這個過程稱為預吸氧。如果將預吸氧時間計算在內，航天員艙外活動全過程至少需要11h，其中真正在艙外的工作時間為6h。

艙外活動發(fā)展

早期的“阿波羅”（Apollo）和“天空實驗室”任務中，由于任務性質和有限的貨物返回能力，大部分艙外活動硬件被丟棄在月球表面或留在“天空實驗室”上。20世紀70年代，因航天飛機提供返回系統(tǒng)硬件進行整修、維護和故障調查的能力，任務設計者利用這種能力設計了“艙外機動裝置”和相關硬件。

隨著航天飛機退役，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硬件的使用壽命和認證期，保證使用備選運載火箭安全發(fā)射艙外活動硬件的能力，維持“艙外機動裝置”硬件的在軌可操作性，并確保高純度水源以保障供給。

未來，人類足跡將進一步向深空、向其他行星拓展，用于執(zhí)行在軌服務任務的艙外活動系統(tǒng)和操作概念方案也需要隨之更新和演進，以適應復雜的空間環(huán)境和任務需求。

3 載人航天領域先進在軌服務體系研究現狀和趨勢

“國際空間站”作為先進在軌服務技術試驗平臺的應用

“國際空間站”是長期在軌的大型空間基礎設施，使其成為驗證有人和無人在軌服務系統(tǒng)的天然平臺。已利用“國際空間站”上的機器人系統(tǒng)進行過多次在軌服務作業(yè)試驗，驗證了眾多關鍵技術，其中最矚目的是近年開展的“機器人燃料加注任務”（RRM）。

“機器人燃料加注任務”由NASA和加拿大航天局（CSA）共同開發(fā)，設計利用“國際空間站”上的“靈巧專用機械手”（Dextre）驗證遙控機器人的在軌服務能力。為滿足任務要求，NASA戈達德航天中心為“靈巧專用機械手”設計了一個模塊和工具包?！皺C器人燃料加注任務”模塊搭載航天飛機發(fā)射，于2011年7月抵達站上，安裝在“國際空間站”的外部平臺上，總質量約250kg，有典型衛(wèi)星上常見的28種零部件：噴管、閥門和電線等?！皺C器人燃料加注任務”模塊內也存有4種供“靈巧專用機械手”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。

“機器人燃料加注任務”硬件結構圖

“機器人燃料加注任務”標志著“靈巧專用機械手”的首次非“國際空間站”維護性作業(yè)及首次用于研究和開發(fā)項目，并例證了“國際空間站”逐步被用作技術試驗平臺的過程?！皺C器人燃料加注任務”分為兩個階段：第一階段驗證可用于服務和加注在軌衛(wèi)星的新技術、新工具和新技能；第二階段始于2015 年4月，在“機器人燃料加注任務”模塊上安裝新硬件，進一步驗證上述機器人能力。

有人在軌服務先進體系概念研究

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

2011年，NASA和DARPA開展了一項聯(lián)合研究，考查可用于對GEO上航天器提供有人在軌服務的能力和體系方案，稱為“有人GEO服務”（MGS）研究。該研究的主要利益相關方為DARPA戰(zhàn)術技術處、NASA首席技術專家辦公室和當時的NASA空間運行任務部。該研究主要關注能力和技術，并非用于提出或評斷具體方案，也不指定具體服務對象，研究目的是為將來5～10年內的有人在軌服務任務評估和預測技術、方案和架構。

“有人GEO服務”研究的頂層架構要素包括：①居住艙/服務體，維持3名乘員在GEO生存60天，支持2人艙外活動，在2次載人任務之間的間隔期可自主運行最多6個月；②乘員運輸飛行器，將人類乘員安全運送至GEO目標位置并返回地球，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)境中運轉5年；④運載器和上面級，近地軌道運載能力14.6t。

團隊主要考慮2種“有人GEO服務”方案：①GEO直接入軌和返回；②GEO往返軌道轉移。方案1包括2個自動拖船，用于移動服務對象往返于原位置與GEO雙用居住艙/服務體之間；方案2僅包含GEO上的居住艙/服務體，可自主機動至服務位置，無需拖船。整個研究的其中一部分是專門評估在地球、近地軌道和GEO航天器服務位置之間高效轉移乘員的能力。乘員轉移方案權衡包含從“雙子星座”（Gemini）型太空艙到有翼升力體飛行器在內的各種方案。服務任務可分解為以下幾個標稱階段：交會、檢測、捕獲、服務和分離。該研究不考慮全由機器人執(zhí)行的無人服務備選方案，盡管為提高有人服務的效率，大量使用了機器人系統(tǒng)。由于GEO環(huán)境惡劣，適合途徑是為最復雜的一部分作業(yè)預留人類乘員艙外活動時間，而允許機器人執(zhí)行其余作業(yè)。具體來說，包括：①計劃在任何可行的時候使用機器人系統(tǒng)，同時權衡新工具開發(fā)和乘員暴露時間；②計劃當無可行或及時的機器人方案存在時，由人類乘員執(zhí)行艙外活動；③可能的話，為每次機器人作業(yè)保留艙外活動應急預案。

“有人GEO服務”場景設想圖

該研究不受NASA當前探索架構的約束，但被允許選擇一條適于實現目標的途徑，其強調的能力提升亦與為NASA載人航天活動提供開拓性的目標相契合?！坝腥薌EO服務”基礎設施組成部分及相關實施技術更具價值，因其有可能推動實現更富成效的載人航天探索途徑。

4 結語

在全球范圍內，在軌服務已被多個國家和地區(qū)空間機構確定為一項支持空間自主性和擴展性的關鍵能力。數十年來，有人在軌服務為相關技術發(fā)展奠定了基礎，且在可預見的將來，人類和機器人不可能相互取代。因此，實現有人與自主相結合的在軌服務是未來在軌服務發(fā)展的趨勢之一。

我國開展在軌服務研究時間較晚，無論研究還是應用都處于起步階段。當前，在軌服務重大科技專項已經列入我國國家日程，應把握好這次機遇，助推我國空間在軌服務技術乃至空間技術整體和航天工業(yè)的發(fā)展。

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