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卫星“续命”悖论
  新华网 ( 2020-03-25 06:47:25 ) 来源: 《环球》杂志
 

    到2029年,卫星寿命延长、重新定位、脱离轨道、打捞、机器人和空间态势感知等应用的累计收入将超过31亿美元。

白瑞雪

  人,总是会犯错误的;机器,总是会出故障的。在我们的地球上,从手机翻新到汽车道路救援,各种维修服务早已是人类刚需。而大气层之外围绕地球飞行的人造卫星,同样需要维修服务。

  怎么修?

  派一颗卫星,去拯救另一颗卫星。

  世界军火巨头、航天公司诺斯罗普·格鲁曼(下称诺格)和国际通信卫星公司(Intelsat)2月26日宣布,诺格的在轨服务飞行器“任务延寿飞行器”(MEV-1)25日同国际通信卫星公司一颗卫星成功实现对接,好让这颗已有近19年星龄的卫星能够延迟5年“退休”。载人航天器在轨交会对接并不新鲜,但无人的卫星对接,尚属历史上第一次。

老卫星的新生

  通过在轨维护延长“寿命”的这枚卫星编号Intelsat 901,属于国际卫星通信系统的一部分,承担着为欧洲和美国提供话音、图形业务的职责。兢兢业业工作19年之后,它该退休了,而退休的人造卫星最终归宿,基本是成为空间碎片、太空垃圾。

  地球轨道上的空间碎片是危险的。好莱坞大片《地心引力》讲的就是空间碎片撞击国际空间站而引发的故事,而现实中的危险也已经上演:2009年,俄罗斯失效卫星与美国铱星33号发生碰撞,产生大量碎片;2019年9月,欧空局气象卫星不得不机动变轨,以避免与SpaceX公司的星链卫星“撞车”。

  鉴于太空网、太空叉等空间碎片主动清除技术大多还处于试验阶段,生命末期的航天器自我处置就很重要了。

  近地轨道卫星由于大气阻力作用,会逐渐下降至再入大气层烧毁,或受控落入人烟稀少的南太平洋;负责任的星们还纷纷加装离轨帆,以缩短坠落烧毁的周期。

  而在部署通信卫星的最佳位置——大约36000公里的地球同步轨道上,轨道衰减慢得多,主动离轨代价又太大,只能让航天器升轨进入比地球同步轨道高200~300公里的轨道,确保100年内不会与工作中的卫星相撞。这一更高的轨道被称为墓地轨道,又叫垃圾轨道或弃星轨道。

  本次卫星交会对接,就发生在这里。燃料虽将耗尽但其工作载荷并未失效,Intelsat 901的拥有者国际通信卫星公司舍不得让这么昂贵的卫星就此寿终正寝,采购诺格公司的任务延寿飞行器MEV-1远赴墓地轨道提供服务。

  2019年10月,卫星发射升空;12月,Intelsat 901卫星停止工作,开始为对接做准备。用了大约三个月的时间,MEV-1到达服务对象所在的墓地轨道,实施交会对接。MEV-1的对接装置插入Intelsat 901的远地点发动机喷管、锁住对方,并在对接后进行了一系列测试,以确定组合体性能。

  接下来,组合体将移出墓地轨道、进入GEO工作轨道,大约5年后重返墓地轨道。届时,组合体分离,发挥完余热的Intelsat 901彻底退役,而设计工作寿命不少于15年的MEV-1正当年富力强,将奔向下一位客户。

从技术到产业

  无人航天器在轨服务的构想提出已久,技术也预研了很多年,这一次终于付诸实践了:不仅救活了一颗高价值卫星,还有效减少了地球轨道上的垃圾数量。诺格公司说,本次的卫星延寿服务只是第一步,“我们的愿景是要建立一支服务飞行器编队,不仅延长卫星寿命,还提供倾角变化和航天器检查等其他服务,并利用先进的机器人技术执行更多功能,比如在轨维修和组装。”

  显然,火箭、飞船皆覆盖的诺格公司,在航天器在轨服务领域也要成为全能生。这一次任务貌似不太复杂,其前提是救援对象自身并无故障、尚能再战。那么,如果目标航天器坏了,还能救吗?

  软件坏了不难,上载补丁或修复程序。硬件就麻烦了。毕竟,环绕地球飞行的物体中,只有哈勃望远镜和国际空间站得到了维修和更新——它们位于近地轨道,而且是由人手动维护的。

  上演于高轨道的MEV-1无人维修任务,属于相对简单的拖车或外挂“副油箱”模式。在更多的应用场景中,需求比“拖车”复杂得多。这就要用上诺格公司提到的先进机器人技术了——不是普通机械臂,而是人工智能加持的机器人系统,为目标飞行器提供加油、维修、装配等在轨服务。

  目前,这一领域最复杂的任务设计是美国国家航空航天局(NASA)的Restore-L航天器。借助五大关键技术——自主实时相对导航系统、服务航电设备、灵巧机械臂、先进的工具驱动和工具、推进剂输送系统计划,2023年发射的Restore-L将与一颗政府低轨卫星会合、捕获对方,并帮其延长寿命。

  尽管2023年的任务对象是一颗政府卫星,据NASA所说,Restore-L技术所打造的天基信息平台具备广泛的扩展性,将有助于“为众多政府和商业任务提供新的架构和能力、在轨建造大型通信天线和望远镜、突破火箭造成的运载体积限制、精密机器人代替宇航员的部分舱外活动任务,以及通过计划内或计划外维修让延长任务持续时间成为可能。”

  NASA说,他们将把Restore-L技术转让给商业实体,以助推在美国开启一个新的服务产业。“维修终将成为太空中的日常业务。一旦成了惯例,政府和商业公司就能够模块化地发射通信设施或探测器,然后由机器人在轨组装。”

旧的不去新的不来

  在轨服务如此重要,为什么姗姗来迟?反对的理由来自四方面。第一,延寿是否值得?地球同步轨道卫星寿命一般为15年,15年间卫星载荷技术必然更新换代,如果再给卫星延寿10年,意味着卫星后期工作时使用的是25年前的技术,这肯定不符合地面对主流技术的要求。

  在轨服务灵活性有限。以MEV-1的此次任务为例,它与“客户”绑定工作5年,5年后才能去服务地球同步轨道上另一个位置的另一颗燃料恰好耗尽、需要救援的大卫星。“恰好”的意思是,如果未能在时间上无缝对接,MEV就得自己在GEO上漂着等待。

  由于MEV一个周期内只能服务于一颗卫星,那么如果同时,或者短期内有N颗大卫星需要延寿,就得发射N个MEV一对一地服务——下一批需要服务的卫星如果没能无缝衔接,这N个MEV就依然漂着。MEV的在轨服务事件贯穿整个5年甚至10年的长周期,各种意外难以预料。服务模式的不确定性,必然带来系统成本的提升。

  在轨服务的目标是节约,但在轨服务器自身成本也并不是一个小数字。对卫星进行燃料补给,同样需要发射火箭将装载燃料的机构送入轨道,虽然成本低于新造卫星,上亿美元也是需要的。如此不菲的代价,最终维护的却是一颗处于十几年前技术水平的大卫星,加注就显得很不合算了。

  近年来小卫星星座的迅猛发展,也为反对之声增加了砝码。地球同步轨道大卫星市场,总的发展趋势是越来越小——卫星星座领域正在发生翻天覆地的变化,技术、系统、商业模式的更新换代根本等不了10年。尽管目前GEO轨道上仍有不少传统大卫星,根据现在的技术趋势,花成本、冒风险去延寿十几年前的旧技术,真的是一种广泛认可的需求吗?

  于是,有人提出了一个看上去更加合理的观点:与其费劲延寿,为什么不降低静地卫星制造成本、加速卫星技术更新换代呢?或者,干脆用低轨小卫星星座?

技术是把双刃剑

  更大的争议来自其使用目的。本次任务中的目标卫星已经在轨工作19年。19年前升空、更久以前完成研制的它不太可能预留对接口,因此服务卫星MEV-1只是以物理连接的方式抓住对方,然后通过自身动力带上Intelsat 901一起机动工作。

  这意味着,任何一颗不受控的卫星——无论是否装有对接机构,都可能被另一颗卫星捕获。来者是客,成就一段外太空提供上门服务的佳话;来者为敌,则可能轻而易举摧毁自己。

  当然,这并不只是卫星在轨服务技术面临的悖论。从远古时代的冷兵器到信息社会的人工智能,技术从来都是双刃剑:可造福人类,亦可毁灭世界。

  无论引发多少忧虑,技术仍然在继承与创新之中前行。诺格公司正在制造的第二个服务飞行器在工作模式上有所优化,MEV-2与目标卫星将在地球同步轨道上对接。也就是说,被救援卫星不需要中止工作并升轨至“坟墓轨道”,它可以留在原位一边工作一边接受服务。MEV-2将在今年晚些时候由阿里安航天公司的阿里安5号火箭发射。

  紧随首次任务的成功执行,美国国防高级研究项目局(DARPA)将诺格公司选定为“地球同步卫星机器人服务”(RSGS)计划的商业合作伙伴。在诺格的MEV平台上,DARPA将加载由美国海军研究实验室研制的灵巧机械臂、工具和传感器,用来为地球同步轨道上的卫星提供更多服务。“对我们宝贵的静地资产实施检查、修理、延寿和改进不仅能够办到,甚至可走向常态化。”

  商业卫星的第一次交会对接,诺格成功了,这一事件为整个在轨服务市场注入乐观信号。美国智库、北方天空研究所(NSR)3月发布的“在轨服务和空间态势感知市场”第三版报告认为,到2029年,卫星寿命延长、重新定位、脱离轨道、打捞、机器人和空间态势感知等应用的累计收入将超过31亿美元。

来源:2020年3月18日出版的《环球》杂志 第6期

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