太空机器人的新时代，在距地球36000千米的高空

今年将创造历史，首次对在轨卫星进行维修操作。轨道故障解决机器人有望为太空机器人的新时代铺平道路，有一天它将往返运送出故障的航天器，为它们补充燃料，进行基本维修或充当临时推进和转向单元。

卫星是21世纪技术基础设施的重要组成部分。我们依靠它们来进行天气预报和气候监测、电信、导航以及大量的科学和新兴应用。卫星的建造和发射通常都很昂贵，而且一旦进入轨道，就很难对它们进行升级、检查或修理。如果一切顺利，运营商可以从他们的资产中获得长达20年的服务。如果出现意想不到的问题，投资可能会付诸东流。

有史以来第一艘在轨服务航天器，任务扩展飞行器1号(MEV-1)，由美国航空航天巨头诺斯普格鲁曼公司的全资子公司空间物流公司建造，将执行两颗商业卫星之间的首次自动对接。在完成这一操作后，它将开始一项同样具有开创性的任务，即延长美国运营商国际通信卫星组织(Intelsat)一颗老化的电信卫星的寿命。

演示将在地球静止环上方约200公里的所谓“墓地轨道”上进行，这是一个高度为3.6万公里的轨道，在这个轨道上，航天器似乎悬浮在地球上的某个地点上方。地球静止轨道受到气象和电信卫星运营商的追捧，是太空中最繁忙的区域之一。为了给未来的用户保持整洁，每次任务结束时，操作人员都有义务把他们的航天器搬到墓地里。

Space Logistics业务开发和运营副总裁Joe Anderson告诉E&T:“这次任务代表了许多行业第一。“我们正在使用许多新技术，由于存在一些担忧，我们决定在墓地轨道上进行演示。”

MEV-1于2019年10月中旬从哈萨克斯坦的俄罗斯拜科努尔航天发射场发射，使用电动推进器从所谓的地球静止转移轨道上升到地球静止墓地轨道。在墓地轨道上，服务车将会见它的客户，国际通信卫星组织的IS901。在演示之前，国际通信卫星组织的操作人员已经使用其机载推进系统将航天器移动到墓地轨道。

IS901是一名18岁的老兵。在正常情况下，MEV-1卫星将很快达到其寿命的终点，但国际通信卫星组织希望MEV-1可以将其任务至少延长5年。服务航天器将自动接近并连接到IS901，首先将卫星移动到地球静止轨道上的一个新插槽，然后在执行任务期间使用其推进器保持其位置和姿态。在5年的期限结束时，MEV-1将把IS901推回到坟墓轨道，然后断开连接并移动到另一个客户端。

太空物流公司以前是轨道ATK的一部分，于2018年被诺斯罗普·格鲁曼公司收购，花了十年时间在该公司的交会、接近、操作和对接(RPOD)实验室开发任务技术。

安德森说:“在这个实验室里，我们有很多非常大的工业机器人，我们用它们来做MEV模型的木偶操纵师。”“我们利用这个实验室开发了原型，并测试了用于交会对接的软件算法和传感器。”

太空物流公司重用了轨道ATK公司最初为天鹅座飞船开发的一些技术，天鹅座飞船是为国际空间站(ISS)提供补给的货运飞船之一。然而，天鹅座并不能自主对接，而是由空间站的机械臂捕获，并停靠在空间站的和谐号模块上。虽然国际空间站有专门的对接和靠泊端口，但MEV-1必须能够连接到在设计时没有考虑到轨道对接的卫星。

根据安德森的说法，MEV利用了目前轨道上80%的地球同步卫星都具备的两个特征——所谓的液体远地点发动机和发射器适配器环。

安德森解释说:“在演习开始之前，MEV-1会围绕目标旋转几圈，并用其可见光、红外和激光雷达传感器对其进行检查。”“然后，它将自己置于目标后方500米的位置，等待地面控制小组的命令开始接近，这是非常缓慢的。”

在距离目标一米的地方，MEV-1部署一个探测器，该探测器通过液体远地点发动机进入客户卫星。在内部，探测器展开“手指”，以免滑出。MEV-1将探测器拉回，两颗卫星结合在一起，客户端卫星上的发射器适配器环压在MEV上的三个支柱上。

安德森说:“我们最终得到了一个非常简单的推挽张力，我们拉动液体远地点发动机的中心，我们推动发射器适配器环，这就是把两个飞行器扣在一起的原因。”“从那时起，MEV接管了组合飞行器的姿态和轨道控制。”

安德森表示，在轨服务作为一种理念已经存在了近20年。然而，这项技术以前并没有经济意义。成本太高，风险很大。最重要的是，运营商更愿意用现代、更高效的系统来取代他们老化的系统。然而，潮流已经转向，空间变得更加杂乱，削减成本变得更加有趣。延长现有卫星寿命而不是建造和发射新卫星的想法脱颖而出。

有效空间公司(Effective space)董事总经理丹尼尔•坎贝尔(Daniel Campbell)表示:“在过去几年里，在太空可持续性方面有很多新活动，我认为我们将看到更多资源被投入到解决轨道上的潜在风险上。”该公司是一家总部位于英国的初创企业，正在开发他们所谓的‘太空无人机’，这种小型卫星将提供类似于太空物流公司(space Logistics)提供的延长寿命的服务。

该公司是由美国国防高级研究计划局(DARPA)领导的交会与服务操作执行联盟(CONFERS)的一部分，旨在为在轨服务制定操作标准。

“有效空间”希望在2021年发射其首次任务，它依赖于1×1×1.5m平台，旨在将卫星寿命延长至18年。相比之下，空间物流公司的MEV-1基于地球同步卫星的标准平台，提供了一个更大的3.0×2.1×2.3m包。

就像MEV-1一样，有效空间公司的无人机将能够在其设计寿命内分离和服务多颗卫星。

坎贝尔说，除了日益增长的可持续性问题之外，在轨服务也很方便，因为卫星运营商正在等待近地轨道巨型星座的到来——这是一种新的、未经验证的电信技术。

Campbell表示:“许多运营商都在观望这些部署对地理业务的影响。“这促使他们推迟任何替代卫星的计划，他们将寿命延长视为一个潜在的空缺。”

DARPA设想，机器人在轨服务技术在未来可以降低地球同步卫星的成本，目前这些卫星需要配备备份系统才能确保任务的成功。这显然增加了复杂性、重量和成本。在未来，新的有效载荷可以在机器人服务车需要时安装。

坎贝尔说，有效空间公司也在研究在近地轨道(LEO)使用在轨服务的可能性。近地轨道是距离地球最近、海拔2000公里的区域，是最拥挤的区域，随着巨型星座的到来，这个区域将变得更加混乱。然而，LEO的商业案例将更加难以证明。与地球同步平台相比，近地轨道卫星往往更小、更便宜，而且通常在设计时考虑到寿命更短。

坎贝尔补充道:“这是需要有意义的数字运算的一部分。”“但是，也许使用这些服务的动机并不纯粹是经济上的，而是许可要求的一部分，要求运营商在向近地轨道部署新卫星之前安全处理他们的卫星。

航天工业咨询公司北方天空研究公司预测，到2028年，在轨服务市场价值将达到30亿美元(23亿英镑)，大部分收入将来自寿命延长。英国卫星应用弹射公司(UK Satellite Applications Catapult)的太空访问负责人克里斯·布伦斯基尔(Chris Brunskill)将目前的太空状况与全球在气候变化和塑料污染方面的拖延进行了比较。

他说:“目前，我们侥幸逃脱了惩罚。”“大多数情况下，这在我们的一生中不会成为一个问题，但这将是下一代不得不担心的问题。市场首先将增长非常缓慢，但随着我们开始看到更大的星座，管理这些星座的需求将越来越大，对商业碎片缓减和在轨服务能力和公司的需求也将越来越大。”

英国希望从未来的在轨服务蛋糕中分一杯羹，最近在牛津郡的哈维尔启动了英国国家在轨服务和操作中心。

“英国大约有六家公司在探索在轨服务，”布伦斯基尔说。“这包括初创企业，也包括空客(Airbus)等一些老牌企业。我们正在努力使联合王国成为一个全球卓越和缓减碎片和在轨服务能力中心。有了这个设施，我们希望为那些公司发展他们的服务扫除一些障碍。”

空间应用弹射器与总部位于日本的初创公司Astroscale合作开发了该设施，该公司将于2020年从这里开始执行世界上第一个商业主动空间碎片清除任务，即Astroscale的生命终结服务(ELSA)任务。

与此同时，诺斯罗普·格鲁曼公司已经在开发下一代在轨服务飞行器，这将使更大规模的运营成为可能，并降低服务成本。交会操作将由任务机器人飞行器(MRV)执行，本质上是一种安装了机械臂的升级MEV。客户卫星的实际推进和姿态控制功能将由任务扩展吊舱(MEP)提供，这是MRV将安装的更小、更便宜的单元。

更复杂和更昂贵的MRV将能够在短时间内安装多个mep以及其他增强有效载荷。诺斯罗普·格鲁曼公司表示，MRV甚至能够对客户航天器进行简单的维修和详细检查。＊