国外航天器在轨延寿等服务常态化的思考

有的地球同步卫星价值高达数百万美元，所以在轨延长它们的使用寿命很重要，可以有效降低运营成本，保护卫星在轨安全。这方面美国等很多国家都有相关规划。

此外，如何使在轨业务标准化？在轨服务业务如何监管？相关机构正在研究。

本文讨论了国外卫星在轨延寿等服务常态化的一些考虑因素和实践。

历史教训：一场惊险的卫星救援

我们以历史上一场惊险的卫星救援来说明在轨延寿服务的重要性。

上世纪70年代，通信卫星数量激增。

1990年，Intelsat VI F-3通信卫星因为运载火箭上面级未能释放，陷入近地轨道。

这场故障开创了一段太空救援历史。

卫星陷入近地轨道使Intelsat公司面临几亿美元的损失。如果重新发射一颗，还要再等两年，而且还要再花2.7亿美元的卫星成本。而使用航天飞机维修卫星只需1.47亿美元。

因此Intelsat公司和NASA为该卫星制定了详尽的救援计划：两名太空行走的宇航员将抓住卫星并在上面安装一根捕获杆，这样奋进号航天飞机的机械臂就可以抓住卫星并将其转移到开放式有效载荷舱，宇航员将在那里安装新的固体推力器，让卫星重返预定轨道。

为了这项救援计划，宇航员们进行了为期两年之久的模拟训练。

1992年5月7日，计划开始实施。

没过多久，这个计划就发生了惊险变化。

Intelsat VI F-3卫星那4吨的体重、3.6米的直径，像一个巨大的陀螺每秒自转一周，让宇航员无法安装捕获杆。

最终三名宇航员徒手捕获了这颗旋转的卫星，安装了新的推力器，上演了航天史上航天员首次（也是唯一一次）徒手抓卫星的惊险桥段。最后卫星在7天后抵达GEO轨道，一直正常运行到2015年退役。

当时一名新入职的工程师乔·安德森目睹了全程大屏幕转播救援现场。

在轨延寿服务可长期受益

三十年后，乔·安德森成为了航天领域的高管，他的目标是使机器人维修卫星业务常态化，让上文中提到的救援惊险事件不再重演。

他现在在SpaceLogistics公司工作，该公司是诺·格公司的子公司，为高轨卫星提供服务。

他估计全球大约有550颗高轨卫星，其中约有一半的卫星可以通过接管推进系统来延长寿命。

在轨延寿不仅仅是为了维持近期卫星运营的利润，还可以减少因发射新卫星平台造成的环境破坏，降低轨道故障风险并减少空间碎片。

在轨服务这场业务变革，单独一家公司是无法实现的。高轨卫星如此多，一家公司无法服务所有卫星。例如，SpaceLogistics公司专注于通过在推进剂快耗尽时接管推进系统来延长卫星的寿命。而美国科罗拉多州的初创公司Orbit Fab计划在太空中建立加注站，为高轨卫星补加推进剂。

但在某些情况下，保持卫星运行不仅仅需要推进剂补加和接管推进系统，还包括更换电池、充电或添加新软件。为此，DARPA的地球同步卫星机器人服务计划已与Space-Logistics签订合同，计划于2025年开始多次在轨演示，实现在轨服务灵活化、增强太空安全的目标。

来源：SpaceLogistics

SpaceLogistics公司通过这两项在轨延寿任务，奠定了其在延长卫星推进系统寿命上的领先地位。但在太空服务、组装和制造（ISAM）领域，它远非孤军奋战。

日本东京的Astroscale公司在2021年在轨演示了一种清除低轨碎片的技术，也计划提供延寿服务。

迄今为止，ISAM侧重在轨服务，因为该技术已准备好在轨验证，并且有许多卫星在轨服务需求，比如在轨补加推进剂或将其移至墓地轨道。

SpaceLogistics公司的技术路线图

SpaceLogistics公司的技术路线图首先是当前的“延寿服务”。当前阶段已完成两项在轨延寿任务：

第一次是在2020年开始的，当时一辆汽车大小的任务扩展飞行器（MEV）与IS-901通信卫星会合。MEV将一个探头插入卫星的液体远地点发动机喷管中，这种操作适用于80%的GEO卫星，一旦进入喷管喉部，它就会伸出小爪将MEV和卫星固定在一起，就像膨胀螺丝将一幅厚重的画固定在墙上一样。MEV连接在卫星的一组框架状的支柱上，这些支柱曾用于把卫星固定在运载火箭上。与卫星牢固连接后，MEV打开其电推力器，并将 IS-901 移回正确轨道，可在轨维持到2025年。

第二次是在2021年，任务内容与上一次类似，MEV连接到IS-1002卫星，至少提供了五年的动力。

如果没有这两次延寿任务，这两颗卫星将成为在墓地轨道上环绕地球的太空垃圾。

未来，每辆MEV在5年后可以拆卸下来，再为其他客户卫星延长10年的使用寿命。

不过，MEV概念只是一个开始。

路线图上的下一步是2024年的“机器人卫星服务”。预计发射一种任务机器人飞行器（MRV），它的一个机械臂可抓住一个预先定位的推进舱（MEP），并将这个洗碗机大小的MEP推进装置连接到卫星上。每个MEP的电推力器将接管客户卫星的推进系统，但与MEV方法有一个关键区别：每个MEP都足够轻，不需要支柱。最后MRV与MEP解绑，MRV去为下一个客户卫星服务。

MRV和MEP都在去年完成了关键设计审查，MRV计划于2024年开始任务。

根据2022年2月的采购协议，MRV将会把一个MEP安装到D3卫星。这是一颗由澳大利亚Optus运营的通信卫星。

然而，SpaceLogistics公司考虑的不仅仅是执行一系列延长寿命的任务。一名记者在11月访问公司总部时，在卫星制造设施中看到了灰色的箱子。这些箱子是为DARPA交付的 MRV 模块。

根据与SpaceLogistics的2020年协议，DARPA正在为MRV提供两个机械臂和相关软件。反过来，SpaceLogistics必须向DARPA提供有关机械臂模块在发射后三年内的运行信息。这项任务将与为商业卫星（包括 D3）提供服务的MRV任务一起开展。

2022年11月，美国海军研究实验室的工程师和技术人员完成了 SpaceLogistics任务机器人飞行器的其中一个机械臂的组件测试，下图为在真空舱中的照片。计划要求在2023 年将机械臂安装到航天器上，为2024年的发射做准备。

来源：美国海军研究实验室

在交会、接近、操作和对接实验室中，安德森向记者展示了一个可能是解决方案的转接设备模型。它是一个长方形的标准化转接板，大约有一台笔记本电脑那么大，上面突出了各种形状。其中一个形状和液体远地点发动机喷管连接口类似。如果在制造过程中安装这样的标准化转接板，卫星即使没有液体远地点发动机，SpaceLogistics 公司产品也能连接卫星，提供服务。转接板还包括一个加注口，用于推进剂在轨补加。

这种转接板将很快投入使用。一个将安装在MRV上，以便MRV本身可以在需要时加注。据安德森说，另一个将在一颗未指明的美国太空部队的卫星上。

安德森强调，尽管该转接板是诺·格公司和SpaceLogistics公司设计的，但它将是“通用接口”，其他机构也可使用，“我们的想法是，希望所有行业都用同一个接口兼容，以便其他人可以为航天器提供加注等服务。”当然，“它是否成为行业标准将取决于最终用户的采用程度”。

在轨服务的标准化

总的来说，一场充满活力的在轨服务竞赛正在进行中。但ISAM领域的人士担心，如果竞争无序，结果将是严重的不兼容，以及其他风险。

如下图，SpaceLogistics公司于2019年在诺·格公司总部试验了第一颗MEV（左）与模拟客户卫星之间的对接。MEV 于 2020 年 2 月与 Intelsat公司的 IS-901 通信卫星会合，与其相连，提供推进系统和姿态控制。

图片来源：诺斯罗普·格鲁曼公司

DARPA 是最先看到该试验的机构之一，并于2017年创建了交会和服务操作执行联盟 (Consortium for Execution of Rendezvous and Servicing Operations)，即 Confers，成员包括SpaceLogistics、Orbit Fab 和 Astroscale等美国和国外的60个公司、组织。

Confers起草后续卫星应具备的加注接口功能并提出建议，这些建议已于去年提交给AIAA在轨服务和装配标准委员会。

Confers 执行董事兼美国安全世界基金会（SWF）执行董事Brian Weeden说，没有行业标准就像你把车开到加注站，然后因为加油站的加油嘴与汽车油箱不兼容，导致加不了油。

迄今为止，Confers取得的最大成就是国际标准化组织批准了ISO 24330标准，内含2022年7月份发布的在轨服务行业指导原则和最佳实践。鉴于交会对接技术具有军事意义，ISO 24330建议服务提供商在接近另一个航天器之前获得许可。此外在公司和政府之间还没有通用的术语，所以该标准加以定义，例如“空间客户方”（client space object）和“空间服务方”（servicing space object）。

ISO 24330标准作为国际标准，不仅对公司，还对相关政府来说，非常重要。比如美国、加拿大、法国、意大利、德国、俄罗斯、中国、巴西，他们也都认可该标准。

之所以强调制定标准规范，是因为希望防止无意中增加军队误判风险。

随着技术的发展，一颗卫星可能有能力在发生战争冲突时从物理上破坏另一颗卫星。比如一颗具有干扰能力的卫星接近另一颗卫星使其通信中断。

安德森说，ISO标准不是强制执行的标准，但发挥指导方针作用，并让各国签署仍然是一件好事。现在，每当某个实体执行越界的太空活动时，其他实体都会指出。此外，不同国家的监管机构在形成自己的卫星服务监管框架时可以参考国际标准。

在轨服务的监管

美国目前缺乏卫星服务的监管框架，但正在努力制定。美国白宫于2022年4月发布了“太空服务、组装和制造国家战略”，向美国政府其他部门发出信号，号召关注ISAM行业的发展。

截至目前，尚不清楚SpaceLogistics是否必须遵循与MEV相同的MRV许可程序，以及政府机构是否对MRV拥有监管权、哪个政府机构拥有监管权。还有其他类型的“新型太空活动”，例如小行星采矿和碎片清除，是否需要许可。

美国副总统卡马拉哈里斯领导的国家航天委员会根据其章程，在2022年11月至12月期间举行了三次听证会，讨论应如何监管这些活动。截至2023年3月中旬，该委员会尚未发布决定。

根据安德森的说法，MEV上的摄像头是通过 NOAA 获得许可的，NOAA 负责遥感卫星的许可，而联邦通信委员会则负责航天器与空间通信许可。但由于MRV每年可能在不同的卫星上执行多达五次任务，不像MEV会在几年内停靠在客户卫星上，美国政府可能需要重新考虑其战略政策。

SpaceLogistics 已经开始与美国政府内部的相关方进行谈判，但预计要到2023年底才能获得MRV的运营许可证。目前，该公司正在推进研发工作，形成一个标准化设计流程。

结语

虽然安德森在92年Intelsat VI F-3通信卫星救援期间的工作与他目前没有直接联系，但“肯定从那次任务中吸取了教训，”他说他的首要考虑是需要为意外情况做好准备，并意识到在空间中物体受到干扰有多危险。从这个意义上说，他在MEV、MRV 和 MEP 方面的工作代表了他职业生涯的一个完整循环，同时也让我们得以一瞥政府和企业如何可持续运营航天器。