高振良 孙小凡 刘育强 刘华伟 谭春林

(北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)

随着空间技术的发展，航天器在国民经济建设中发挥着越来越重要的作用。其中，地球静止轨道(GEO)是高价值太空资产最为集中的区域，区域内航天器使用价值高、研制与部署成本高，同时由于GEO高价值航天器自身具有长寿命、高可靠的特点，燃料耗尽已成为GEO航天器的主要失效原因，影响了这些高价值空间资产使用效能的充分发挥。目前，国外已有多家公司正在开展航天器延寿相关项目的研究，其中比较有代表性的为美国诺格公司，其研制的任务延寿飞行器(MEV)成功实现了与国际通信卫星-901(Intelsat-901)对接，开启了商业化在轨延寿服务的历史性时刻。根据美国北方天空研究公司2020年1月发布的报告，预计未来10年GEO航天器延寿业务将有约30亿美元的市场需求，因此需要对航天器在轨延寿服务给予高度关注，通过对寿命末期的航天器进行延寿服务，提升航天器在轨应用效能，为用户创造更多价值[1]。

本文针对航天器在轨延寿服务的现实需求，在对国外近年来典型航天器延寿服务项目研究的基础上，分析了航天器延寿服务的发展趋势，结合我国相关技术发展情况，为进一步推动航天器延寿服务领域发展，提出了相关建议。

1 延寿服务需求分析

1.1 接管延寿

接管延寿是发挥现有在轨航天器效能的现实需求。航天任务具有高风险特点，航天器发射及在轨异常时有发生，造成航天器功能或寿命受损，影响其在轨应用效能的发挥。例如：2009年8月31日印度尼西亚帕拉帕-D(PALAPA-D)卫星发射，运载火箭未能将卫星送入预定轨道，卫星经过自身变轨，于9月9日成功定点，但剩余推进剂只能维持其在轨运行10年左右，寿命损失约1/3[2]；2017年6月19日我国发射中星-9A卫星，同样由于运载火箭入轨异常，卫星未能进入预定轨道，虽然经过卫星自身变轨机动成功完成了GEO定点，但卫星的使用寿命已大幅减少，卫星实际在轨运行不足4年，远未达到15年的设计寿命要求。因此，需要通过接管姿态与轨道控制的方式，有效延长目标航天器在轨服役时间，确保其使用寿命满足要求。

1.2 在轨加注

在轨加注是提升未来在轨航天器能力的必然要求。随着航天器上设备及元器件可靠性的提高，燃料耗尽已成为GEO航天器失效的主要原因。例如：对2008-2010年GEO航天器失效数量统计表明[3]：燃料耗尽失效比例已经达到85.4%，并且随着整星可靠性设计水平的逐渐提高，燃料耗尽失效比例还将进一步上升。针对燃料耗尽的航天器，除了可以通过姿态与轨道控制接管方式实现延寿，随着推进剂在轨加注技术的发展，可接受在轨加注将成为高价值航天器的必然要求。

1.3 在轨维修

在轨维修是解决航天器早期故障的重要手段。由于航天器系统的复杂性与运行环境的严酷性，航天器在轨发生故障在所难免，往往个别产品故障即可造成价值数十亿元的航天器在轨失效，同时，目前航天器在轨维修手段不足，并且大部分在轨航天器未考虑可维修性设计，因此发展航天器在轨维修能力对确保航天器在轨稳定运行具有重要意义。例如：哈勃空间望远镜入轨初期存在聚焦不准的问题，通过航天飞机对其先后进行了5次在轨维修操作，不仅解决了自身“近视”问题，还使其探测能力有了大幅提升[4]。

2 国外发展现状

针对航天器在轨延寿服务的迫切需求，国外已开展了大量研究工作，积累了丰富经验，其中部分技术已经实现了商业化在轨应用。

2.1 接管延寿研究情况

关于航天器接管延寿服务，早在1996年，美国针对未能入轨的甚高频-1(UHF-1)卫星就提出了相关方案设想。由于接管延寿需求的迫切性，近年来国外相关宇航企业更是开展了大量技术研究工作，本文选取其中比较有代表性的项目进行介绍。

2.1.1 轨道延寿飞行器(OLEV)

21世纪初，美国轨道复原公司及其英国子公司提出了OLEV计划[5]，拟通过对接方式取代原卫星的姿态与轨道控制系统，从而实现延长卫星工作寿命的目的。OLEV发射入地球同步转移轨道(GTO)，然后靠自己的霍尔电推力器加速进入GEO，并与受援卫星交会对接形成一体。OLEV并不向受援卫星加注推进剂，也不需要在受援卫星上设置专门的加注对接口，它可以同GEO上任何一种3轴稳定卫星相结合，能为质量在3000 kg以下的卫星延长10年工作寿命。此外，OLEV还可针对未能正常入轨的卫星展开在轨救援服务，并通过上述对接锁紧方式将客户卫星送至正常轨道。

2003年，OLEV项目完成了初步方案设计、分系统与部件设计，提出了研制成本预算，并发布了招标书。荷兰空间公司中标成为研制OLEV的主承包商，命名为锥型车-轨道延寿飞行器(CX-OLEV，见图1)，德国宇航中心(DLR)负责提供对接工具与捕获技术。

图1 CX-OLEV示意

为了进一步降低OLEV成本，基于灵巧-1(SMART-1)平台又提出了灵巧-轨道延寿飞行器(SMART-OLEV，见图2)方案，其质量相比CX-OLEV大大减小(约500 kg)，利用新型小型连接机构，同样通过客户卫星的发动机喷管与客户卫星进行机械连接，为客户卫星提供姿态与轨道控制、轨道重定位等服务，也可对GEO废弃卫星进行离轨处理，拖曳进入坟墓轨道。

图2 SMART-OLEV示意

2.1.2 任务延寿飞行器(MEV)

MEV是2011年美国ViviSat卫星公司提出的GEO卫星延寿项目。2013-2015年，轨道ATK公司从ViviSat卫星公司接手整个项目团队。2017年，诺格公司收购轨道ATK公司，继续推进项目研究工作。2019年10月9日，诺格公司的MEV-1搭载俄罗斯质子-M(Proton-M)运载火箭成功发射，正式开启了全球商业在轨延寿服务元年[6]。MEV-1项目的首要目标是为国际通信卫星(INTELSAT)公司已失效的Intelsat-901卫星提供为期5年的在轨延寿服务，根据合同规定，INTELSAT公司每年为MEV-1支付1300万美元费用。2020年2月25日，MEV-1与Intelsat-901在坟墓轨道完成了对接(见图3)；4月17日，诺格公司宣布Intelsat-901已经返回GEO且重新定点，并于4月2日重新开始提供通信服务。为期5年的延寿服务后，MEV-1首先完成Intelsat-901卫星再次离轨处置，然后继续为下一个客户卫星提供在轨延寿服务[7]。

图3 MEV-1与Intelsat-901交会对接

2020年8月16日，诺格公司又成功发射了MEV-2(见图4)，服务对象为Intelsat-1002。2021年4月12日，MEV-2成功与Intelsat-1002对接，开启了5年的延寿服务。与MEV-1延寿任务不同，Intelsat-1002一直在GEO服役，MEV-2与其对接后无需轨道机动即可转入延寿服务。

图4 MEV-2地面试验

2.1.3 任务机器人飞行器(MRV)

由于MEV在整个延寿期间必须与被服务卫星连接，只能提供“一对一”服务。为了提高服务效率，诺格公司在2018年对外公布了灵活性更高的MRV[8](见图5)。MRV基于MEV原型进行改进，采取功能模块化升级设计，额外搭载10～12个任务扩展箱(MEP)与空间机械臂装置，每个MEP均可安装到被服务卫星上并充当独立的推进系统，且不需要MRV一直驻留，做到“一机对多星”，并且“装完即走”。根据2022年3月24日《航天新闻》报道，诺格公司的MRV具备10年寿命，首个MRV将携带3个MEP，每个MEP能让GEO卫星的服役寿命延长多达6年，目前诺格公司已与澳大利亚卫星运营商等6家客户达成服务意向，预计于2024年发射入轨。

图5 MRV在轨延寿服务示意

2.1.4 太空雄蜂(Space Drone)项目

Space Drone项目原为总部设在英国的有效太空公司研发的延寿飞行器(见图6)，主要用于通信卫星延寿与辅助变轨，原计划2020年前后发射。2018年1月，该公司宣布已从一家“重要的地区性卫星运营商”那里拿到首份合同，但未披露该用户身份。有效太空公司称，合同涉及发射2个Space Drone延寿飞行器，并同该家用户的2颗卫星对接，以提供轨道位置保持与姿态控制服务，合同总价值在1亿美元以上。根据相关报道，Space Drone的质量约为400 kg，飞行器将以搭载方式发射，采用电推进飞往客户卫星，将对接到卫星的星箭对接环上，随后接管卫星的机动功能，可长期运行或短期使用。目前，该项目已被日本初创企业Astroscale公司收购，改为Astroscale LEP，并由设立的美国子公司继续实施。

图6 Space Drone在轨延寿服务示意

2.1.5 接管延寿技术分析

通过对上述接管延寿项目分析可知，开展接管延寿服务任务需要综合考虑被接管目标收益和服务飞行器自身成本。其中：MEV采用整星接管模式，技术相对成熟，但同一时刻只能为1个目标提供服务，综合效益相对不足；MRV采用MEP接管模式，可1次任务实现对多个目标延寿服务，将成为未来首选延寿方式。不过，无论是整星接管模式还是模块接管模式，其前提都是需要先完成非合作目标的捕获和接管，因此我国在轨开展接管延寿技术研究时，应统筹考虑不同接管延寿模式特点和现有技术基础，尽快推动非合作目标捕获对接与接管控制等相关技术研究与在轨试验，为后续在轨应用奠定基础。

2.2 在轨加注研究情况

国外自20世纪70年代即开展了在轨加注技术研究，并在航天飞机与“国际空间站”(ISS)上得到应用；近年来又通过多个项目开展面向卫星的在轨加注技术研究。

2.2.1 GEO加注延寿系统

在INTELSAT公司的资助下，加拿大麦克唐纳·德特威勒联合(MDA)公司提出了利用空间机械臂对GEO寿命末期卫星开展燃料加注延寿的设想(见图7)，即利用空间机械臂系统首先完成对客户卫星远地点发动机喷管的抓捕，然后再打开客户卫星的注排阀门，最后插入软管泵输入适量燃料。INTELSAT公司的负责人表示，每颗GEO通信卫星每年的运营收益约为1亿美元，而利用在轨延寿技术对卫星进行延寿的成本为3000万～5000万美元，若寿命延长5年，其产生的经济效益极其可观。

图7 MDA公司GEO延寿系统

2.2.2 机器人燃料加注任务(RRM)

NASA与加拿大航天局从2009年开始实施RRM[9](见图8)。RRM依托ISS开展，主要针对不具备专门在轨加注接口的航天器开展燃料加注技术演示验证，采用直接传输推进剂的方式。

图8 Dextre机械臂与RRM模块

RRM任务共分为3个阶段。2011年9月-2013年5月，RRM-1任务验证了拆除模拟卫星的冷却剂气体设备、切割卫星隔热毡等一系列燃料加注技术。2013年8月-2016年1月，RRM-2任务验证了在轨监测、修复故障及制冷剂补加等在轨加注服务所需的技术、工具与工艺。2018年12月，RRM-3发射至ISS，开展了低温流体液态甲烷的储存与传输技术在轨演示验证。

2.2.3 复原-L(Restore-L)项目

2014年，NASA启动了Restore-L任务的论证工作[10-11]，计划对极轨卫星进行加注等服务。Restore-L在完成目标对接环锁紧对接的基础上，通过机械臂辅助工具实现加注接口连接(见图9)。该方式支持加注接口灵活布置，便于工程推广应用。Restore-L启动的时间为2014年，从时间与任务分析来看，Restore-L是RRM的独立飞行验证版，将在真实空间环境下对在轨加注服务所需的关键技术进行全流程、系统性的验证。

图9 Restore-L加注任务示意

2.2.4 在轨服务、组装与制造(OSAM)项目

2020年，NASA等政府机构发起一项OSAM国家倡议，以便加强相关组织的联系，明确政府机构与公司针对OSAM技术的投资领域，确定OSAM技术新用途，创建知识共享中心，并将Restore-L任务转为OSAM-1任务。OSAM项目已于2020年5月成功通过了美国联邦审计总署关键决策点评估，其开发计划与预算得到确认，相比原计划有所推迟，预算也上升到10.43亿美元(Restore-L预算为7.53亿美元)，目前正在由麦克萨(Maxar)公司承担OSAM-1研制任务，并定于2024年发射。

2.2.5 在轨加注技术分析

根据上述项目情况可知，国外针对航天器在轨加注技术已开展了大量研究，其中ISS在轨加注技术已成熟应用，但由于其质量、尺寸等较大，无法直接在卫星上使用。针对卫星加注技术，美国在2007年通过轨道快车(Orbital Express)项目虽然也成功开展在轨技术验证，但由于Orbital Express仍采用基于交会对接的方式实现在轨加注，该方式要求被服务对象必须配置专用交会对接被动接口，代价较大，至今未能得到推广，因此Orbital Express任务后，美国通过RRM，Restore-L，OSAM-1持续推动更加灵活实用的在轨加注技术，通过采用机械臂辅助模式实现推进剂的在轨灵巧补加，大大简化被服务对象补加接口配置。我国后续开展航天器在轨加注任务时，也应考虑航天器增加接受补给功能的代价问题，建议优先发展在轨灵巧补加技术，开发更为灵巧实用的推进剂补加接口，以便提高在轨加注技术可推广性，为后续在轨应用创造有利条件。

2.3 在轨维修研究情况

2.3.1 太阳峰年任务(SMM)卫星在轨捕获与修复

1984年4月，美国挑战者号航天飞机利用交会接近技术，辅以遥控机械臂与航天员舱外操作，在运行轨道上成功追踪、捕获并修复了失灵的SMM卫星(见图10)，使该卫星成为第1个利用航天飞机进行在轨捕获、维修与释放的航天器。该次在轨维修服务任务验证了空间机械臂在在轨服务任务中的巨大作用，也验证了在轨维修的巨大经济效益。

图10 航天飞机机械臂捕获SMM卫星

2.3.2 哈勃空间望远镜(HST)维修与升级

1993-2009年，NASA先后5次使用航天飞机搭载航天员，对HST实施了大规模的在轨维修任务(见图11)。任务包括失效部件的替换、先进科学仪器的更新、未预先计划的临时维修任务等。由于HST具有很强的接收在轨维修与重构的能力，通过多次实施在轨维修服务，其携带的科学仪器得到不断的更新，其科学探测能力实现大幅提升。

图11 在轨维修HST

2.3.3 工程试验卫星-7(ETS-7)

ETS-7是日本为验证在轨维修操控技术研制的飞行器[12]，由2颗卫星组成，主要进行在轨分离与交会对接，以及应用机械臂转移有效载荷与捕获/停靠等技术试验(见图12)。2颗卫星连在一起，由日本H-2运载火箭于1997年11月28日发射，进入高度550 km、倾角35°的目标轨道。在交会对接试验期间，子星(目标星)从主星(追踪星)释放出来，成功进行了V-Bar逼近与R-Bar逼近技术试验。空间机器人试验包括高级机械手试验，展开/拆卸装配试验与天线装配机构试验。

图12 在轨交会对接与捕获期间的ETS-7

2.3.4 Orbital Express

2007年，美国Orbital Express成功完成在轨飞行试验。它由目标卫星NEXTSat与服务卫星ASTRO组成，2颗卫星运行在轨道高度492 km、倾角46°的圆轨道上(见图13)。NEXTSat质量为226 kg，高和宽均为1 m，用于演示被服务的目标卫星存储燃料与更换模块的物资存储平台。服务卫星ASTRO质量为952 kg，高和宽均为1.8 m，主要开展在轨捕获、模块更换与在轨加注等多项操作任务。

图13 Orbital Express示意

2.3.5 德国轨道服务系统(DEOS)

DEOS为德国的自主在轨服务项目，由DLR于2007年4月提出(见图14)。该项目的主要目标为通过空间机械臂捕捉非合作目标航天器并完成在轨服务，从而验证自主在轨服务的关键技术，包括空间机器人技术、非合作目标跟踪与捕获技术、先进推进技术、空间加注技术等。

图14 DEOS在轨服务

2.3.6 前端机器人使能近期演示验证(FREND)项目

在Orbital Express计划后，美国重点发展了针对非合作目标的新一代空间机器人计划FREND[13]。FREND项目的主要目的是对GEO通信卫星进行维修或者燃料补给，其前身为通用轨道修正航天器(SUMO)计划。FREND是一个面向非合作目标的自主交会、逼近、抓捕并实施在轨服务的演示任务，重点对机器视觉、机械臂、自主控制方法等关键技术进行验证。目前，该项计划的成果已转入地球同步轨道卫星机器人服务(RSGS)项目。图15为FREND项目中的服务卫星。

图15 FREND项目中的服务卫星

2.3.7 凤凰(Phoenix)计划

为了尽可能挽回GEO卫星故障或失效造成的损失，并有效保护GEO资源，2012年7月美国国防高级研究计划局(DARPA)启动了Phoenix计划[14](见图16),旨在开发、演示联合回收技术，重新利用已经退役或失效的GEO卫星上的有价值部件(如大孔径天线)来组建新航天器，可显著降低新型空间设备的开发成本，并降低风险。

图16 Phoenix计划示意

Phoenix演示验证系统主要由服务卫星(Servicer/ Tender)、细胞卫星(Satlet)和高轨载荷输送系统(PODS)组成。Servicer/Tender是Phoenix演示验证系统的核心部分，安装有机械臂，能抓捕PODS和失效卫星，拆解失效卫星的有用部件，安装Satlet，组装成1颗新卫星，并带着新卫星进行轨道转移。Satlet是高度集成的模块化卫星，具有特定的卫星分系统或部件级功能，如姿态控制、射频转发等。Satlet具有相同的构型，可根据特定的任务需求像搭积木一样组装，引入了细胞化和形态重构的概念。PODS可装载多个Satlet和机械臂在轨操作工具，通过搭载商业卫星发射到GEO。

2.3.8 RSGS项目

2016年5月，美国DARPA启动了RSGS项目[15-16]，旨在建立GEO上的灵巧机器人操作能力(见图17)。RSGS项目除了进行与MEV相似的任务，还可以进行在轨检查、在轨维修、在轨升级等精细操作，以便提高美国现有空间基础设施的可靠性和系统弹性。与MEV简单的抓捕对接机构相比，RSGS带有2 m长的双机械臂和灵巧末端执行器，能在轨精细操作。DARPA计划通过RSGS项目预期实现的服务任务为：①检查，包括合作式诊断、检查功能异常的GEO航天器。②维修，包括太阳电池阵、天线展开故障等机械异常修正。③延寿，即协助轨道变化机动，包括转移客户航天器至新的工作位置或任务后处理轨道、辅助轨道机动、延长航天器寿命等。④升级，包括为运行的合作航天器安装升级包，提供新功能。RSGS项目已于2018年完成有效载荷初始设计评审，计划2023年前开展在轨试验。

图17 RSGS在轨服务示意

2.3.9 在轨维修技术分析

由于在轨航天器并未开展可维修性设计，对其进行在轨维修操作难度很大，截至目前尚未实现真正意义的航天器无人在轨维修服务。后续开展航天器在轨维修维护任务，需要服务航天器配置具备精细操作能力的机械臂和专用末端工具；同时，为了提高未来航天器在轨维修的便利性，在发展维修操作技术的同时，也应加快发展面向未来的可维修航天器技术，通过采用可维修性设计，使航天器在轨维修变得更易于实现，也为后续在轨升级重构、组装建造等任务提供基础。

3 发展趋势分析

通过对国外在轨延寿服务发展分析，可以看出：接管延寿、在轨加注、在轨维修一直是航天技术重要的前沿方向，呈现出需求牵引推动、技术创新驱动、体系融合发展的特点，经过长期发展正在逐步形成在轨应用能力。

(1)形成实用能力是在轨延寿服务的发展目标。在轨延寿服务潜在的经济效益是推动相关领域持续发展的主要原因，美国通过MEV项目的实施，已经实现了接管延寿服务的商业化运行，在其他在轨服务企业之前抢占了市场先机，在培育客户的同时也支撑了后续在轨服务能力的升级发展。目前，诺格公司正在发展能提供一对多服务能力的MRV项目，以增强其延寿服务效益。在轨加注方面，国外已验证基于交会对接的推进剂补加技术，通过RRM，Restore-L，OSAM等项目，正在向机械臂辅助在轨加注的实用方向发展，逐步提升在轨加注的实用化水平。随着在轨加注技术的不断发展，可在轨接受推进剂加注有望成为后续高价值航天器的基本要求。

(2)实现技术突破是在轨延寿服务的应用前提。航天器在轨延寿服务涉及非合作目标自主交会、捕获连接、模块更换、推进剂补加、机械臂精细操作等诸多关键技术，为此，美国、欧洲、日本等长期开展了大量关键技术攻关，为相关技术的在轨应用奠定了较好的技术基础，其中的接管控制技术经过约20年的发展，更是实现了在轨商业化应用。在轨加注方面，RRM，Restore-L，OSAM等项目，使基于机械臂辅助操作的灵活加注方式正在逐渐成为可能，有望近期实现在轨应用。故障在轨维修方面，凭借Orbital Express，FREND，Phoenix，RSGS等项目的持续研究，正在突破以机械臂精细操作为代表的关键技术，为航天器在轨维修服务提供能力保障。

(3)加强统筹规划是在轨延寿服务的内在要求。尽管航天器接管延寿、在轨加注、在轨维修等延寿服务在技术上存在一定差异，但针对未来迫切的应用需求，各航天大国均采取了体系融合发展的思路。例如：NASA的OSAM项目除了在轨加注外，还具备在轨维修、组装及建造能力；DARPA的RSGS同时具备在轨检查、维修、延寿、升级等多项在轨服务功能。通过体系上统筹规划，分阶段、有计划协调推进，实现在轨服务能力不断取得突破。

4 我国开展在轨延寿服务研究的建议

随着我国在轨航天器日益增多，在轨延寿服务需求也日趋迫切。为推动我国在相关领域的发展，建议加强顶层体系谋划的同时，加快核心技术攻关与转化，尽快形成在轨应用能力。

(1)加强航天器在轨延寿服务体系谋划，系统开展能力布局。根据2022年2月发布的《中国航天科技活动蓝皮书(2021年)》，截至2021年年底，我国在轨航天器已达到400个，居世界第2位，其中GEO高价值卫星约60颗，航天器在轨延寿服务应用需求迫切；同时，在轨延寿服务种类多样、系统体系复杂、技术跨度较大。为了更好推进相关能力建设，建议将航天器在轨延寿服务系统作为我国未来重要的空间基础设施纳入后续航天发展规划，加强体系顶层布局设计，分阶段、有计划统筹推进，不断提升相关技术成熟度，适时开展在轨飞行试验验证和示范应用，逐步形成较为完善的空间服务能力体系，全面支撑我国未来空间资产和空间资源保护。

(2)加快在轨延寿技术攻关与转化应用，尽快形成实用能力。高价值航天器在轨延寿需求日益迫切，随着相关延寿服务技术的不断发展，航天器在轨延寿服务正在变成现实。针对航天器在轨延寿服务需求，在国家有关计划支持下，已经开展了大量关键技术研究，极大促进了在轨延寿服务相关技术的发展。为加速我国航天器在轨延寿服务能力建设，建议近期以我国即将到寿命的GEO卫星为目标，开展在轨延寿服务技术验证和示范应用，形成在轨服务能力。

(3)开展在轨延寿服务前沿技术创新，积极抢占技术制高点。航天器在轨延寿服务是当前空间领域的热点方向，涉及目标接管控制、推进剂在轨加注、故障维修等诸多方面，需要持续开展前沿技术创新探索。针对当前航天器延寿服务需求和前沿技术发展情况，建议近期重点加强非合作目标捕获对接、推进剂灵巧加注、智能自主精细操作、航天器可维修性设计等技术研究，抢占空间技术制高点，实现与国际先进水平的比肩赶超。