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国外载人航天在轨服务技术发展现状和趋势分析

770 爸爸 | 浩渺无际的银河 | 2016-8-15 05:29:35 |复制地址|显示全部帖子



3  载人航天领域先进在轨服务体系研究现状和趋势
“国际空间站”作为先进在轨服务技术试验平台的应用
“国际空间站”是长期在轨的大型空间基础设施,使其成为验证有人和无人在轨服务系统的天然平台。已利用“国际空间站”上的机器人系统进行过多次在轨服务作业试验,验证了众多关键技术,其中最瞩目的是近年开展的“机器人燃料加注任务”(RRM)。
“机器人燃料加注任务”由NASA和加拿大航天局(CSA)共同开发,设计利用“国际空间站”上的“灵巧专用机械手”(Dextre)验证遥控机器人在轨服务能力。为满足任务要求,NASA戈达德航天中心为“灵巧专用机械手”设计了一个模块和工具包。“机器人燃料加注任务”模块搭载航天飞机发射,于2011年7月抵达站上,安装在“国际空间站”的外部平台上,总质量约250kg,有典型卫星上常见的28种零部件:喷管、阀门和电线等。“机器人燃料加注任务”模块内也存有4种供“灵巧专用机械手”使用的新工具:钢丝钳和隔热层操纵工具、多功能工具、安全帽移除工具与喷管工具。
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“机器人燃料加注任务”硬件结构图
“机器人燃料加注任务”标志着“灵巧专用机械手”的首次非“国际空间站”维护性作业及首次用于研究和开发项目,并例证了“国际空间站”逐步被用作技术试验平台的过程。“机器人燃料加注任务”分为两个阶段:第一阶段验证可用于服务和加注在轨卫星的新技术、新工具和新技能;第二阶段始于2015年4月,在“机器人燃料加注任务”模块上安装新硬件,进一步验证上述机器人能力。
有人在轨服务先进体系概念研究
迄今为止,人类已完成的空间在轨服务都在近地轨道上开展。当前地球同步轨道(GEO)上的航天器都并未设计可捕获和服务功能,因此,GEO航天器无人在轨服务存在的困难包括:缺少捕获接口、有锐边危险、没有设计容纳舱外活动设备的功能、没有设计组合体运行或自由漂浮控制模式等。
2011年,NASA和DARPA开展了一项联合研究,考查可用于对GEO上航天器提供有人在轨服务的能力和体系方案,称为“有人GEO服务”(MGS)研究。MGS研究的主要利益相关方为DARPA战术技术处、NASA首席技术专家办公室和当时的NASA空间运行任务部。该研究主要关注能力和技术,并非用于提出或评断具体方案,也不指定具体服务对象,研究目的是为将来5~10年内的有人在轨服务任务评估/预测技术、方案和架构。
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“有人GEO服务”场景设想图
“有人GEO服务”研究的顶层架构要素包括:①居住舱/服务体,维持3名乘员在GEO生存60天,支持2人舱外活动,载人任务间隔期可自主运行最多6个月;②乘员运输飞行器,将人类乘员安全运送至GEO目标位置并返回地球,每次维持3名乘员生存4天,可在GEO环境中休眠60天;③太空拖船,捕获非合作目标航天器,重定位GEO航天器或其他组成部分,至少在GEO环境中运转5年;④运载器和上面级,近地轨道运载能力14.6t。
团队主要考虑2种“有人GEO服务”方案:①GEO直接入轨和返回;②GEO往返轨道转移。方案1包括2个自动拖船,用于移动服务对象往返于原位置与GEO双用居住舱/服务体之间;方案2仅包含GEO上的居住舱/服务体,可自主机动至服务位置,无需拖船。整个研究的其中一部分是专门评估在地球、近地轨道和GEO航天器服务位置之间高效转移乘员的能力。乘员转移方案权衡包含从“双子星座”(Gemini)型太空舱到有翼升力体飞行器在内的各种方案。服务任务可分解为以下几个标称阶段:交会、检测、捕获、服务和分离。该研究不考虑全由机器人执行的无人服务备选方案,尽管为提高有人服务的效率,大量使用了机器人系统。由于GEO环境恶劣,适合途径是为最复杂的一部分作业预留人类乘员舱外活动时间,而允许机器人执行其余作业。具体来说,包括:①计划在任何可行的时候使用机器人系统,同时平衡新工具开发和乘员暴露时间;②计划当无可行或及时的机器人方案存在时,由人类乘员执行舱外活动;③可能的话,为每次机器人作业保留舱外活动应急预案。
该研究不受NASA当前探索架构的约束,但被允许选择一条适于实现目标的途径,其强调的能力提升亦与为NASA载人航天活动提供开拓性的目标相契合。“有人GEO服务”基础设施组成部分及相关实施技术更具价值,因其有可能推动实现更富成效的载人航天探索途径。

4  结语
在全球范围内,在轨服务已被多个国家和地区空间机构确定为一项支持空间自主性和扩展性的关键能力。数十年来,有人在轨服务为相关技术发展奠定了基础,且在可预见的将来,人类和机器人不可能相互取代。因此,实现有人与自主相结合的在轨服务是未来在轨服务发展的趋势之一。
我国开展在轨服务研究时间较晚,无论从研究还是应用都处于起步阶段。当前,在轨服务重大科技专项已经列入我国国家日程,应把握好这次机遇,助推我国空间在轨服务技术乃至空间技术整体和航天工业的发展。■


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