空间在轨服务的发展

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1、空间机器人在轨捕获技术应用一、前言随着航天技术的飞速发展，空间航天器的结构、组成日趋复杂，性能、技术水平不断提高，在这种情况下，保证空间航天器在复杂的空间环境中更加持久、稳定的在轨运行，已成为目前空间技术领域热点研究内容。在轨服务的概念最早在20世纪60年代提出，但限于当时的技术水平，早期的在轨服务大多是由宇航员完成。但通过宇航员进行在轨服务存在高成本和高风险的问题，因此随着航天技术的发展，通过空间机器人进行无人自主在轨服务不断显现出巨大的优势和效益，并已经成为目前航天任务中迫切需要解决和发展的重要内容之一。本

2、文将简单介绍目前较为成熟的在轨捕获技术发展现状，以及每种方案的优缺点，着重介绍空间机器人在轨捕获技术的关键技术的实现。二、在轨捕获技术方案近年来，各航天大国通过二十多年对自主在轨服务关键技术的攻关和演示验证，取得了引人瞩目的成绩，其中较为有代表性的项目是：由美国国防高级研究计划局(DARPA)提出的轨道快车计划(OE，OrbitalExpress)。轨道快车已于2007年3月成功发射升空并在同年7月完成了在轨飞行演示实验。日本的ETS-VII项目，此项目就最早成功演示验证自主在轨捕获技术的空间机器人系统。欧洲的

3、TECSAS项目，欧洲十分重视空间机器人技术，在多年的空间机器人技术研究过程中积累了丰富的经验，欧洲空间机器人研制水平一直处于世界前列，TECSAS项目在欧洲的空间机器人系统项目中具有一定的代表性，其以德国DLR为主，并与加拿大、俄罗斯等国合作完成。迄今为止，在轨捕获机构设计方案主要有如下三种形式：利用伸缩杆捕获目标卫星的发动机喷管；利用飞网或飞爪捕获目标卫星；利用机械臂捕获目标卫星的特定结构。伸缩杆捕获方案美国轨道复活公司和英国轨道复活有限公司共同研制了一种名为锥型车－轨道延寿飞行器，可以同三轴稳定的地球静止

4、轨道卫星相结合，取代原卫星的姿态和轨道控制系统，能为质量在3000kg以下的卫星延长10年工作寿命。CX-OLEV飞行器充分利用了目标卫星的远地点发动机喷管和星箭对接环的结构特点，设计通用型对接捕获机构。通过其捕获机构可实现与目标星的连接。欧洲轨道卫星服务公司利用欧洲航天局灵巧-1（Smart-1）卫星平台，开发灵巧－轨道延寿飞行器（SMART-OLEV），为地球静止轨道通信卫星提供延寿服务。SMART-OLEV采用了CX-OLEV的延寿技术，也是利用目标卫星的远地点发动机喷管和星箭对接环进行在轨捕获。此种方法

5、只适合于合作目标的捕获任务，由于非合作目标不能提供合作光标等合作特征，轨道交会及抓捕过程闭环控制较难实现，因此对于非合作目标此方法较难实现，且服务任务较单一，不能实现对目标星的在轨维修，但此技术较简单，容易实现。飞网、飞爪捕获方案对于空间碎片或者其他需要离轨的航天器，可利用飞网或者飞爪对目标航天器进行捕获，并实施离轨操作。ESA自2011年提出了用飞网抓捕地球静止轨道废弃卫星的自主地球静止轨道回收器(Roger)项目。ESA计划利用Roger系统开展以下两方面研究：利用Roger飞网抓捕机构清除地球同步轨道上的

6、失效卫星，并转移到坟墓轨道；利用Roger绳系飞爪抓捕未进入正常轨道的地球同步轨道卫星，并将其送入预定工作轨道。此捕获方案的通用性极好，且飞网与服务航天器之间通过绳系连接，两者动力学耦合简单，作用距离较远，避免了近距离逼近及停靠，大大降低了捕获系统与目标发生碰撞的危险。此种方案为面对点的捕获，可通过增加飞网面积实现对弹射捕获误差的冗余补偿，降低对系统姿态控制的要求。但此方法只适合对空间碎片或废弃卫星的清理，不适合在轨维修、在轨装配等在轨服务。机械臂捕获方案为实现奥林匹斯（Olympus）卫星和Anik-E卫星的

7、在轨修复，1994年欧洲航天局提出了地球静止轨道服务飞行器（GSV）的研究计划，GSV将空间机械臂作为执行机构，方案设计阶段提出了单机械臂和双机械臂的配置方案。GSV主要以目标星的轨控发动机喷嘴和对接环为捕获接口。试验卫星服务系统（ESS）是ESA开展的另外一个地球静止轨道卫星在轨服务系统研究项目，目标是将遥控空间机械臂ROTEX中已经验证的遥机械臂思想用于卫星在轨服务，ESS以GEO故障卫星为目标，将其远地点发动机圆锥形喷管作为捕获目标。当然美国的轨道快车在轨演示项目，FREND/SUMO项目，Phoenix

8、项目都为机械臂捕获方案，在此方面，加拿大、日本等国家都有出色的表现。（１）灵活、多任务支持能力。目标卫星既有保持对地定向的健康卫星，也有处于翻滚状态的故障卫星，需要提供的服务包括延寿、离轨和维修等任务。其中最具有价值的在轨服务是修复那些部分功能失效的卫星，如天线或太阳翼未完全展开等情况，因此在轨捕获方案的选择应将在轨维修任务需求放在首位，上述三类方案中只有机械臂形式能够充分满足这一需求