李侃（北京空間科技信息研究所）

“在軌服務”概念誕生于20世紀60年代美、蘇航天員進入太空前后，當時由于航天技術發(fā)展與制造能力限制，在軌服務研究還僅限于有人在軌服務。當航天時代步入21世紀之后，全球經(jīng)濟發(fā)展水平、航天制造與發(fā)射能力得到顯著提升，在軌航天器數(shù)量與年度發(fā)射數(shù)量都出現(xiàn)井噴式增長，在軌服務概念和技術研發(fā)的投入與關注度日漸提升。以美國、歐洲、日本為代表的世界航天強國或地區(qū)都啟動了各自的在軌服務項目，但多數(shù)都還停留在方案論證與地面演示驗證階段。2019年10月9日，全球首個商業(yè)在軌服務航天器—任務拓展飛行器－1（MEV－1）成功發(fā)射，將全球在軌服務領域發(fā)展推向了一個新階段。

1 項目背景

航天器在軌服務（OCS）是指在太空通過人、機器人或兩者協(xié)同的方式完成涉及延長航天器壽命、提升執(zhí)行任務能力等的一類太空操作，這一概念誕生至今已有近60年歷史。

MEV項目始于2011年，項目誕生自美國維維衛(wèi)星公司（ViviSat）提出的“利用MEV為在軌衛(wèi)星進行在軌燃料加注”創(chuàng)新服務概念。2012年3月，ViviSat公司就曾對外宣布MEV項目已完成全部設計工作，但受限于沒有客戶采購服務，航天器后續(xù)研制進度一拖再拖。之后，MEV項目伴隨ViviSat公司破產(chǎn)被迫轉移至其原出資母公司之一的美國阿連特技術系統(tǒng)公司（ATK），并作為獨立項目繼續(xù)優(yōu)化方案設計和開展全球范圍的招標工作，最終在2016年成功與歐洲通信衛(wèi)星公司（Eutelsat）簽署了5年期在軌延壽服務合同。ATK公司在之后兩經(jīng)并購重組：2014年ATK公司與軌道科學公司（ORB）合并成為軌道-ATK公司（Orbital ATK）；2017年，諾格公司（Northrop Grumman）收購軌道-ATK公司，軌道-ATK公司更名為諾格創(chuàng)新系統(tǒng)公司（NGIS），作為諾格公司獨立子公司運營至今。

2019年10月9日，諾格公司的MEV－1和歐洲通信衛(wèi)星－5WB（Eutelsat－5WB）搭載俄羅斯質子－M（Proton－M）運載火箭成功發(fā)射，正式開啟了全球商業(yè)在軌服務元年。

2 項目基本情況

航天器平臺和技術參數(shù)

MEV－1基于諾格公司成熟的地球靜止星－3（GEOStar－3）平臺設計制造，GEOStar－3是GEOStar平臺系列的最新型號，廣泛應用于全球商業(yè)通信衛(wèi)星研制，具有高靈活性、高成熟度和強擴展性的特點。

MEV－1的發(fā)射質量為2326kg，設計壽命15年。MEV－1與共同發(fā)射的Eutelsat－5WB通信衛(wèi)星采用“一箭雙星”配置構型，轉移軌道轉移推進類型選用全電推設計，降低了航天器的總發(fā)射質量，有效控制了項目研制與發(fā)射成本，提升了整星的商業(yè)競爭力。

此外，MEV－1還充分借鑒了用于“國際空間站”交會對接技術，為其高效開展在軌服務奠定了基礎。為滿足MEV－1與地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星的安全對接操作，MEV－1搭載了高精度、集成化傳感器套件，能以安全、可靠的方式實現(xiàn)與客戶衛(wèi)星的對接操作。MEV－1采用的對接系統(tǒng)能與目前約80%的在軌GEO衛(wèi)星進行對接，后續(xù)的商業(yè)應用前景廣泛。

GEOStar－3平臺和MEV-1主要參數(shù)表

航天器任務情況

MEV－1項目的首要目標是為國際通信衛(wèi)星公司（Intelsat）已失效的Intelsat－901衛(wèi)星提供為期5年的在軌燃料加注與延壽服務。

MEV－1搭載有效載荷示意圖

Intelsat－901衛(wèi)星已在軌運行約18年，目前已執(zhí)行離軌處置操作，衛(wèi)星處于墳墓軌道。根據(jù)Eutelsat公司評估，Intelsat－901衛(wèi)星退役的主要原因是推進劑燃料耗盡，但星上航電設備和有效載荷部分仍能正常運行，通過采購在軌服務延長衛(wèi)星壽命，能有效降低補星發(fā)射的成本，提升公司整體的管理與服務質量。

按照計劃，MEV－1完成在軌釋放后，利用搭載的全電推系統(tǒng)到達Intelsat－901衛(wèi)星所在GEO墳墓軌道。MEV－1在通過星載照明與視覺系統(tǒng)抵近目標衛(wèi)星后，執(zhí)行交會對接操作，計劃與其遠地點發(fā)動機側面完成對接。MEV－1與Intelsat－901衛(wèi)星對接完成的組合體“新衛(wèi)星”在通過基本在軌測試后，利用GEOStar－3平臺提供的靈活姿軌控系統(tǒng)，將“新衛(wèi)星”再次轉移至GEO業(yè)務軌位，為Intelsat－901衛(wèi)星提供額外5年業(yè)務運行所必需的服務支持。

整個延壽服務結束后，Intelsat－901衛(wèi)星將再次執(zhí)行離軌處置，返回墳墓軌道；而MEV－1與其完成分離操作，在剩余設計壽命內(nèi)，為下一個或多個客戶衛(wèi)星提供在軌服務。

3 項目后續(xù)與應用前景

MEV－1作為MEV項目的首發(fā)星，選取僅喪失姿軌控燃料的Intelsat－901衛(wèi)星作為首個客戶服務對象，成功開啟在軌服務商業(yè)新紀元。按照原項目規(guī)劃，將研制最少5個MEV系列航天器，為目標客戶提供定制在軌服務操作。從目前諾格公司公布的計劃來看，MEV－2將在2020年內(nèi)搭載阿里安－5（Ariane－5）運載火箭發(fā)射，暫定首要服務時間也是5年期，但具體客戶情況暫未對外公開。

除MEV系列航天器外，諾格公司還在2018年對外公布了靈活性更高的新型商業(yè)在軌服務航天器—“任務機器人飛行器”（MRV）。MRV將基于MEV原型進行改進，采取功能模塊化升級設計，額外搭載10～12個“任務擴展箱”（MEP）和空間機械臂裝置。MRV與MEV服務方式有所區(qū)別，MEV是通過與客戶衛(wèi)星對接成為新衛(wèi)星提供完整姿軌服務，整個服務周期內(nèi)不能與客戶衛(wèi)星分離；而MRV則在對接后利用空間機械臂載荷，將1個MEP在軌安裝在客戶衛(wèi)星上，由MEP為客戶衛(wèi)星提供有限的位置維持延壽服務，MRV可在安裝完畢后直接分離。根據(jù)諾格公司規(guī)劃設計，1個MEP能為客戶衛(wèi)星提供約5年期的服務，與單次MEV提供服務時間相當，但設計周期內(nèi)服務次數(shù)顯著增加，能為約10～12個客戶衛(wèi)星提供服務。

諾格公司的MEV系列和后續(xù)MRV航天器主要以黃金軌道GEO衛(wèi)星為服務對象，能為商業(yè)公司的故障或退役衛(wèi)星提供簡單的在軌延壽服務，能夠有效降低衛(wèi)星補網(wǎng)研制與發(fā)射成本，具有很強的商業(yè)應用前景。一旦諾格公司首次服務取得成功，必將吸引更多的商業(yè)運營商、政府用戶，甚至軍用客戶購買定制服務。隨著近幾年在軌航天器數(shù)量不斷增多、頻率和軌位資源日漸緊張、商業(yè)保險費用逐年增加，一旦在軌服務商業(yè)模式與能力水平變得成熟，未來必將在全球航天產(chǎn)業(yè)中占據(jù)重要份額。

MEV－1在軌工作示意圖

截至2019年10月底，全球在軌GEO衛(wèi)星數(shù)量為560顆，其中通信衛(wèi)星占比達到了86%，且絕大多數(shù)都是商業(yè)通信衛(wèi)星?？梢酝茢?，未來短期的商業(yè)在軌服務主要客戶依舊是商業(yè)通信衛(wèi)星運營商或相關國家政府機構。

4 小結

MEV－1成功發(fā)射標志著全球在軌服務研究邁入了新時代，作為在軌演示與實際服務的首個商業(yè)平臺，將為Eutelsat公司的Intelsat－901衛(wèi)星提供5年期在軌延壽服務。美國作為全球在軌服務研究的領跑國家，在軍、民、商領域都有在研的在軌服務航天器。2019年10月，商業(yè)在軌服務航天器MEV－1最終完成了首發(fā)工作，將為GEO軌道目標客戶提供延壽服務，其獲取的寶貴試驗與在軌數(shù)據(jù)也能加速民、軍用在軌服務航天器研制進程。