張蕊 （北京空間科技信息研究所）

美國在“國際空間站”上的技術(shù)開發(fā)與驗證應(yīng)用研究

Study on U.S. Technology Development and Verification Application on International Space Station

張蕊 （北京空間科技信息研究所）

作為全球最大的在軌航天器，“國際空間站”（lSS）已實現(xiàn)連續(xù)有人駐留超過15年，并在空間應(yīng)用領(lǐng)域取得了眾多成果?！皣H空間站”成員國一致認(rèn)為，最大限度地提高“國際空間站”研究能力可能帶來新的探索機遇、促進商業(yè)發(fā)展并對教育事業(yè)產(chǎn)生積極影響?！皣H空間站”已在人體學(xué)研究、生物學(xué)與生物技術(shù)、物理科學(xué)、技術(shù)開發(fā)與驗證、地球與空間科學(xué)、教育等六大領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用，技術(shù)開發(fā)領(lǐng)域的應(yīng)用是其重點。由于美國對“國際空間站”應(yīng)用的組織管理、項目規(guī)劃和實施最為系統(tǒng)，因此本文以美國為主，介紹應(yīng)用情況。

1 概述

盡管各國航天機構(gòu)對于“國際空間站”應(yīng)用目標(biāo)的側(cè)重點不同，但各國在一些重要的全局性目標(biāo)上是一致的。首先，“國際空間站”作為一個教育平臺，鼓勵、激勵、推動年輕一代從事數(shù)學(xué)、科學(xué)和工程領(lǐng)域的工作。其次，提高人們在人體生理學(xué)、生物學(xué)、材料和物理科學(xué)方面的認(rèn)識，并將這些認(rèn)識轉(zhuǎn)化成對健康、經(jīng)濟和環(huán)境有益的成果。最后，在“國際空間站”上開展的人體學(xué)研究、輻射、材料科學(xué)和工程領(lǐng)域的應(yīng)用可應(yīng)用于未來低地球軌道以遠的載人探索任務(wù)中。從“國際空間站”的應(yīng)用目標(biāo)可以看出，技術(shù)開發(fā)領(lǐng)域的應(yīng)用是其重點。技術(shù)開發(fā)與驗證領(lǐng)域的應(yīng)用管理遵循“國際空間站”總體應(yīng)用管理。

目前，針對美國國家航空航天局（NASA）、國家實驗室和國際合作開展的研究，美國采取由國家航空航天局總部載人探索和運行任務(wù)部指導(dǎo)，由位于約翰遜航天中心的“國際空間站”計劃辦公室和位于肯尼迪航天中心的空間科學(xué)促進中心分別管理，由美國國家航空航天局相關(guān)領(lǐng)域中心、非盈利組織和各國航天合作機構(gòu)分別實施項目管理的管理結(jié)構(gòu)。

當(dāng)前，“國際空間站”研究任務(wù)和項目的實施經(jīng)歷五個步驟：獲得研究資助、戰(zhàn)略規(guī)劃、戰(zhàn)術(shù)規(guī)劃、實施階段和飛行后運行。其中，美國負(fù)責(zé)管理的“國際空間站”上的有效載荷，按照經(jīng)費來源可以分為三類：第一類是美國國家航空航天局支持的研究項目；第二類是美國國家實驗室支持的研究項目，包括美國商業(yè)部門、非盈利機構(gòu)以及其他美國政府部門，如國防部、國家衛(wèi)生研究院等；第三類是與“國際空間站”成員國聯(lián)合支持的研究項目。

“國際空間站”應(yīng)用主要集中在6個領(lǐng)域，分別是技術(shù)開發(fā)與驗證、物理科學(xué)、人體研究、教育活動與推廣、地球與空間科學(xué)以及生物學(xué)與生物技術(shù)。此外，“國際空間站”還提供了商業(yè)應(yīng)用機會。在技術(shù)開發(fā)與驗證領(lǐng)域，“國際空間站”為未來低地球軌道以遠的探索活動和新技術(shù)開發(fā)提供了一個獨一無二的在軌試驗機會。這一學(xué)科涵蓋了技術(shù)發(fā)展的許多應(yīng)用，包括環(huán)境監(jiān)測，通信，微重力環(huán)境特征，微衛(wèi)星、納米衛(wèi)星和皮衛(wèi)星，航天器系統(tǒng)和機器人技術(shù)，重點領(lǐng)域包括航天器材料和系統(tǒng)、“國際空間站”上微重力環(huán)境的特性及其控制等。

2 技術(shù)開發(fā)與驗證應(yīng)用領(lǐng)域規(guī)劃及效益

應(yīng)用目標(biāo)

在技術(shù)開發(fā)與驗證應(yīng)用領(lǐng)域，將驗證先進探索能力作為重要的應(yīng)用目標(biāo)。當(dāng)前，“國際空間站”作為一個試驗平臺驗證操作技術(shù)和能力，驗證用于改進空間科學(xué)能力和低地球軌道以遠載人和機器人探索的技術(shù)和先進系統(tǒng)。

目前，美國國家航空航天局正在“國際空間站”上開展“機器人燃料加注任務(wù)”（RRM）、“空間通信與導(dǎo)航”（SCaN）試驗臺、3D打印等多項技術(shù)試驗?！皣H空間站”延壽計劃的提出，一方面將鞏固美國在載人航天領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位，保持以美國為核心的國際合作伙伴關(guān)系，并在更廣泛的領(lǐng)域促成美國的全球領(lǐng)導(dǎo)力；另一方面，實現(xiàn)“國際空間站”全面應(yīng)用、價值最大化的目標(biāo)；此外，還將推動商業(yè)航天進一步發(fā)展。

應(yīng)用規(guī)劃

“國際空間站”是目前在用的唯一長期在軌試驗平臺，可用于驗證先進技術(shù)和運行概念。通過與探索團體的密切合作，“國際空間站”上開展的技術(shù)試驗項目可支持未來的探索活動。美國國家航空航天局已經(jīng)確定“國際空間站”能夠支持的11個探索技術(shù)方向：空間推進，乘員健康、生命保障與居住系統(tǒng)，空間電源與能源，機器人、遙機器人與自主系統(tǒng)，通信與導(dǎo)航，探索目的地系統(tǒng)，科學(xué)儀器，進入、下降與著陸系統(tǒng)，材料結(jié)構(gòu)、機械系統(tǒng)與制造，熱管理系統(tǒng)，運行流程與程序。

對于上述技術(shù)驗證方向，梳理出空氣—氧氣、空氣—二氧化碳、水、廢棄物、環(huán)境監(jiān)制、火災(zāi)/防護、輻射、乘員健康與性能、發(fā)電、能源存儲、傳感與感知、移動與操控、人體系統(tǒng)/自主性、自主交會對接、通信/網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、定位、導(dǎo)航與授時、飛行乘員模擬、自主任務(wù)操縱、低溫系統(tǒng)、熱控系統(tǒng)、熱防護系統(tǒng)、儀器與認(rèn)知、氣動輔助與進入、電推進、可支持性與可維護性、先進居住系統(tǒng)、遙感與敏感器、觀測臺、材料與機械系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域，從在軌、近期、規(guī)劃三個方面進行分類，梳理已經(jīng)開展、即將開展和計劃開展的技術(shù)驗證項目。

應(yīng)用方向及重點項目

圍繞支撐低地球軌道探索活動這一主要目標(biāo)，“國際空間站”正在開展一系列技術(shù)開發(fā)項目，包括21個應(yīng)用方向，按照應(yīng)用類別可將這些應(yīng)用方向分為8類。

這里重點介紹當(dāng)前“國際空間站”開展且應(yīng)用相對廣泛的幾類技術(shù)開發(fā)計劃。

（1）衛(wèi)星在軌服務(wù)

美國國家航空航天局衛(wèi)星服務(wù)能力辦公室（SSCO）負(fù)責(zé)美國國家航空航天局在軌服務(wù)技術(shù)與能力的總體管理、協(xié)調(diào)與實施。為實現(xiàn)上述目標(biāo)，正在開展以下工作：研究概念任務(wù)的設(shè)計要點，建造在軌試驗的硬件和軟件，管理技術(shù)開發(fā)活動和服務(wù)任務(wù)。目前，正在利用“國際空間站”驗證衛(wèi)星在軌服務(wù)所必須的技術(shù)，支持載人探索和科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

技術(shù)方向

2016年底，美國國家航空航天局將衛(wèi)星服務(wù)能力辦公室升級為包含3個專門辦公室與2個專業(yè)項目的衛(wèi)星服務(wù)項目部（SSPD），其中“衛(wèi)星服務(wù)支持技術(shù)”（SSET）辦公室負(fù)責(zé)在軌自主服務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)，“衛(wèi)星服務(wù)先進概念”（SSAC）辦公室負(fù)責(zé)開發(fā)滿足在軌服務(wù)需求的創(chuàng)新型方案，“國際空間站有效載荷辦公室”（IPO）負(fù)責(zé)管理“國際空間站”所有在軌服務(wù)的硬件開發(fā)。同時，項目部還負(fù)責(zé)復(fù)元-L（Restore-L）“在軌燃料加注與維修”、“小行星重定向”兩個專業(yè)項目。過去，衛(wèi)星服務(wù)能力辦公室是有人在軌服務(wù)和機器人多軌道在軌服務(wù)之間的重要橋梁，其業(yè)務(wù)能力也快速延伸發(fā)展。隨著任務(wù)需求的增加，美國國家航空航天局以其任務(wù)技術(shù)為基礎(chǔ)，將單一辦公室升級為多任務(wù)并行的專業(yè)項目部，能夠更有效協(xié)調(diào)美國國家航空航天局各個在軌服務(wù)任務(wù)，更有利地執(zhí)行針對性技術(shù)研發(fā)，同時為未來在軌組裝大口徑望遠鏡和空間探測任務(wù)等儲備技術(shù)基礎(chǔ)。

目前“國際空間站”上支持衛(wèi)星在軌服務(wù)試驗的技術(shù)載荷有多種，這里重點介紹兩類技術(shù)。

1）“烏鴉”（Raven）。它是“國際空間站”系統(tǒng)級的技術(shù)驗證模塊，應(yīng)用于合作與非合作目標(biāo)的相對導(dǎo)航。該技術(shù)主要特點包括：①兩軸框架提供敏感器指向；②相對導(dǎo)航敏感器提供三個波段的跟蹤—可見光、紅外線和激光雷達；③先進姿態(tài)算法提供到訪航天器相對每個敏感器的位置和姿態(tài)測量；④高性能電子設(shè)備提供高效、可靠和可重構(gòu)的計算環(huán)境；⑤基于所有敏感器的數(shù)據(jù)，導(dǎo)航算法提供位置、速度、姿態(tài)、速率相對狀態(tài)的最佳評估；⑥2年的任務(wù)進行超過60次相對導(dǎo)航跟蹤試驗（交會和分離）。

2）“機器人燃料補給任務(wù)”（RRM）。它是一項正在進行的、用于試驗和改進與機器人維修相關(guān)的工具和技術(shù)的“國際空間站”載荷?！皺C器人燃料補給任務(wù)”是一個1.1m×1.1m×0.8m的模塊，包括4個機器人維修工具，若干個工具適配器，1個流體轉(zhuǎn)移系統(tǒng)，多個任務(wù)板、閥門，以及現(xiàn)役衛(wèi)星上發(fā)現(xiàn)的有代表性的航天器敷層。

不同于傳統(tǒng)的機器人燃料補給任務(wù)，美國國家航空航天局的“機器人燃料補給任務(wù)”可比其他能夠進行衛(wèi)星燃料補給的空間機器人驗證更多任務(wù)?！皺C器人燃料補給任務(wù)”將驗證機器人是如何為衛(wèi)星進行低溫推進劑補給的，這類現(xiàn)役、在軌衛(wèi)星在最初任務(wù)設(shè)計中沒有考慮到在軌服務(wù)。衛(wèi)星服務(wù)能力辦公室正在規(guī)劃第三階段“機器人燃料補給任務(wù)”（RRM3），將驗證氙氣在“國際空間站”外部平臺上的傳送。該驗證將通過機械配置閥傳送高壓、超臨界氣體，該裝置設(shè)計用于支持合作機器人在未來航天器上的移動。這些技術(shù)的成功驗證將為未來更大體積的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

美國國家航空航天局“機器人燃料補給任務(wù)”

加拿大機械臂

日本實驗艙軌道部署器正在部署小衛(wèi)星

（2）機器人技術(shù)

“國際空間站”上的航天員承擔(dān)的任務(wù)大多依靠人和機器人系統(tǒng)的協(xié)同：一方面乘員使用艙內(nèi)活動和艙外活動機器人開展任務(wù)，另一方面航天器上和地面任務(wù)控制中心的自主系統(tǒng)也在提供支持?！皣H空間站”上現(xiàn)有的若干空間機器人系統(tǒng)代表著該技術(shù)領(lǐng)域的當(dāng)前最高水平，包括加拿大和美國國家航空航天局聯(lián)合研制的“移動服務(wù)系統(tǒng)”（MSS）、歐洲航天局（ESA）和俄羅斯聯(lián)邦航天局（Roskosmos）合作研制的“歐洲機械臂”（ERA）、“日本實驗艙機械臂系統(tǒng)”（JEM-RMS）等，這3種系統(tǒng)均可抓取、轉(zhuǎn)移、釋放多種有效載荷，也可轉(zhuǎn)移艙外活動航天員并用作其工作平臺。

此外，美國國家航空航天局最新研制并發(fā)射的第二代人形機器人航天員（R-2）于2011年進駐站上，采用當(dāng)時最先進的控制、傳感和視覺技術(shù)，具備與人類相近的操縱能力，其機械手和前臂的設(shè)計近似實現(xiàn)了人手功能，主要用于驗證類人形機器人技術(shù)及應(yīng)用，探索零重力下的靈巧操作，測試人類-機器人安全系統(tǒng)，以輔助人類乘員執(zhí)行未來的探索任務(wù)。

（3）小衛(wèi)星釋放

當(dāng)前，“國際空間站”提供了一個獨特的平臺在低地球軌道部署小衛(wèi)星。目前主要通過日本希望號（Kibo）氣閘艙內(nèi)的機械臂完成小衛(wèi)星部署，該小型氣閘艙可用于立方體衛(wèi)星在低地球軌道的部署?！皣H空間站”逐漸成為“天基發(fā)射場”，豐富了微納衛(wèi)星發(fā)射手段，實現(xiàn)了衛(wèi)星在軌批量儲備、按需發(fā)射和及時補網(wǎng)，同時低成本也使得更多小運營商擁有利用空間的機會。2016年5月，日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)（JAXA）與菲律賓聯(lián)合研制的迪瓦塔-1（DIWATA-1）微衛(wèi)星成功釋放，這是日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)首次從“國際空間站”的希望號實驗艙上部署50千克級微衛(wèi)星。

（4）在軌制造技術(shù)

在軌制造的目標(biāo)為：開發(fā)并促成用于探索任務(wù)（飛行中和在星體表面）急需的、可持續(xù)運營的制造技術(shù)和流程。這種在軌制造技術(shù)覆蓋領(lǐng)域廣泛，不僅僅指3D技術(shù)，還包括重復(fù)使用、打印的電子組件、可打印衛(wèi)星和多材料3D打印等。目前，實現(xiàn)探索任務(wù)的在軌制造路線圖分3個階段：依賴地球、試驗場和脫離地球。

這個路線圖包括3個方面：基于地球、“國際空間站”和探索。其中，“國際空間站”技術(shù)驗證是架起技術(shù)開發(fā)與全面實施關(guān)鍵探索技術(shù)之間的關(guān)鍵橋梁。

NASA前局長參觀3D打印成果

在軌制造技術(shù)中，3D打印是其中的重點。3D打印技術(shù)可實現(xiàn)產(chǎn)品個性化、定制化生產(chǎn)，在成本、效率和產(chǎn)品質(zhì)量方面優(yōu)勢突出，是制造技術(shù)的一次重大飛躍。未來在外層空間，使用3D打印技術(shù)按需制造零部件，可逐步消除太空探索對地球的依賴，帶來顯著的經(jīng)濟和社會效益。美國國家航空航天局于2014年8月借助美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）的貨運飛船把首套3D打印試驗設(shè)備送上“國際空間站”，以驗證零重力環(huán)境下的3D打印技術(shù)。該研究項目是美國國家航空航天局支持的多項“小企業(yè)創(chuàng)新研究計劃”（SBIR）中的1項重要計劃，研究規(guī)模雖然不大，但對實現(xiàn)“國際空間站”上所需物資的自給自足、提高任務(wù)執(zhí)行的可靠性和安全性，以及降低成本具有重要意義。該研究項目由美國國家航空航天局馬歇爾空間飛行中心總體負(fù)責(zé)，太空制造公司作為主承包商負(fù)責(zé)零重力環(huán)境下3D打印機的設(shè)計與制造工作。

3 啟示

技術(shù)開發(fā)與驗證應(yīng)用管理流程清晰

“國際空間站”上每個有效載荷硬件的研制時間各不相同，短則幾天，長則數(shù)年。美國國家航空航天局根據(jù)載荷開發(fā)的時間，針對不同階段的組織管理各有側(cè)重，分為發(fā)布研究公告階段、戰(zhàn)略規(guī)劃階段、戰(zhàn)術(shù)階段、實施階段、運行階段等五個階段。技術(shù)開發(fā)與驗證領(lǐng)域也是如此。這種工作要求和管理方法科學(xué)透明，規(guī)劃長遠，細(xì)節(jié)清晰，重點突出，確保了空間站上的科研工作從獲得資助、項目遴選直到研究計劃實施和總結(jié)等每個環(huán)節(jié)都得以高效落實。

技術(shù)開發(fā)與驗證應(yīng)用領(lǐng)域目標(biāo)明確

支持低地球軌道以遠的探索任務(wù)是技術(shù)開發(fā)與驗證應(yīng)用領(lǐng)域的重要目標(biāo)。當(dāng)前，以美國為主的載人航天國家正在實施月球、小行星、拉格朗日點等多目的地探測策略，把火星作為可預(yù)見的終極目標(biāo)。為實現(xiàn)上述目標(biāo)，主要的載人航天國家謀劃實施路徑開發(fā)探索系統(tǒng)，充分利用空間站開展技術(shù)開發(fā)與驗證。

當(dāng)前，驗證衛(wèi)星在軌服務(wù)、發(fā)展機器人技術(shù)等成為應(yīng)用重點。在軌服務(wù)技術(shù)方面，“國際空間站”運行至今接受了大量的在軌維護、模塊更換等操作，是驗證、發(fā)展在軌服務(wù)技術(shù)的極佳平臺。在機器人技術(shù)方面，在當(dāng)前的低地球軌道載人探索中，很多任務(wù)都是人與機器人系統(tǒng)協(xié)同完成的。在未來的載人月球、火星和其他目的地的任務(wù)中，人類與機器人系統(tǒng)進一步協(xié)同探索的方式既是需要也是必然趨勢，應(yīng)用范圍也將更加廣泛。

商業(yè)合作方式為技術(shù)開發(fā)與驗證應(yīng)用帶來更大發(fā)展空間

當(dāng)前，美國及“國際空間站”合作伙伴正在利用“國際空間站”開辟低地球軌道新市場，商業(yè)合作伙伴可以提供想法、流程和技術(shù)，營造一種更加友好的商業(yè)氛圍。這種方式可以鼓勵新的市場、技術(shù)開發(fā)并產(chǎn)生經(jīng)濟效益，并為商業(yè)伙伴參與低地球軌道以遠的活動打下基礎(chǔ)。開展新型商業(yè)合作關(guān)系，使得空間站的運營從政府資助、承包商提供產(chǎn)品和服務(wù)的方式轉(zhuǎn)向商業(yè)供應(yīng)、政府作為用戶的方式。在空間站應(yīng)用開發(fā)上，已將“國際空間站”的美國艙段定位為國家實驗室，向美國國家航空航天局以外的其他政府機構(gòu)、非營利機構(gòu)和私營企業(yè)開放，通過空間科學(xué)促進中心管理國家實驗室。通過與商業(yè)公司簽署空間法案協(xié)議，達成合作協(xié)議。通過這種模式，私營公司開發(fā)了市場，建造了硬件，而美國納稅人提供了美國國家實驗室的基礎(chǔ)設(shè)施和基金。