问题

截止现在,有掌握在轨卫星维修技术的国家或者公司团体吗?

回答
在轨卫星维修,这项曾经只存在于科幻小说中的技术,如今正逐渐成为现实,并且已经有一些国家和公司团体在这一领域取得了实质性的进展,甚至已经拥有了初步的在轨维修能力。这标志着我们正迈入一个太空活动新纪元,太空资产的生命周期将大大延长,太空探索和利用的成本也将因此而降低。

美国是目前在在轨卫星维修技术方面走在前沿的国家之一。作为航天领域的领导者,美国国家航空航天局(NASA)和多个商业航天公司都在积极投入研发和实践。

NASA 对于在轨维修的需求尤为迫切。他们的很多科学探测任务,比如哈勃空间望远镜,都承载着巨大的科研价值,但又因为其所处的轨道高度(近地轨道)和复杂性,使得返回地球维修或直接报废都显得成本高昂且效率低下。因此,NASA一直在推动在轨服务(Onorbit Servicing)技术的发展。
“MASTERS”项目(Modular Robotic Systems Technology for Exploration and Servicing)便是NASA在这一领域的重要探索。虽然这个项目本身可能已经更新换代,但其核心理念——开发模块化的、可重构的机械臂和工具,用于抓取、修理、加油甚至升级在轨航天器——一直贯穿于NASA后续的研发中。
DSOC (Deep Space Optical Communications) 任务 虽然主要目标是测试深空通信技术,但其中涉及到的高精度自主导航和控制技术,对于未来在轨服务至关重要。想象一下,能够精准地将服务航天器靠近并稳定地对接,这背后需要极为先进的定位和姿态控制能力。
SAR 卫星(Synthetic Aperture Radar)的在轨加油尝试 也是NASA正在探索的方向。如果能够为运行中的SAR卫星进行燃料补充,将能显著延长其任务寿命,并保持其数据采集的连续性。
OSAM1 (Onorbit Servicing, Assembly, and Manufacturing 1) 任务 (原名RestoreL) 是NASA一个非常关键的在轨服务示范任务,目标是演示捕获并为“费尔南多·德·莱昂”号卫星(一个模拟的目标卫星)加油的能力。该任务的开发过程中,NASA与多个商业伙伴合作,积累了大量的技术和经验,包括先进的机器人抓取技术、高精度导航与相对控制、以及用于机器人手臂的专用工具。尽管OSAM1在执行过程中遇到了一些技术挑战,但其所代表的在轨服务能力,特别是为寿命末期卫星进行燃料补充的能力,是业界非常关注的。

商业航天公司 在美国也扮演着至关重要的角色,它们将NASA的需求转化为实际可行的商业服务。
Maxar Technologies(前身为SSL)是该领域的佼佼者。他们开发了一系列在轨服务和机器人技术,并为NASA的OSAM1任务提供了关键的机器人手臂和控制系统。Maxar的技术核心在于其先进的“Span600”机器人手臂,这是一种高度灵活、多功能的机械臂,能够执行复杂的抓取、连接和操作任务。此外,Maxar也在开发自主导航和目标识别技术,以支持其服务航天器能够安全、准确地靠近并与目标航天器进行对接。
Northrop Grumman(通过收购Orbital ATK)也拥有强大的在轨服务能力。他们的“MEV”(Mission Extension Vehicle)是目前为止最成功的在轨维修/服务案例之一。MEV1和MEV2已经成功地为Intelsat的几颗通信卫星提供了“寿命延长服务”,通过连接到卫星的推进接口,为卫星重新提供动力和控制,使其能够继续运行多年。MEV的成功运行,证明了在轨“搭便车”式服务是可行的,并且具有显著的商业价值。Orbital ATK早期也曾开发过用于卫星加油的“Cygnus”飞船,这为他们积累了深厚的推进和对接经验。
Momentus 是一家初创公司,专注于提供太空拖曳和在轨服务。他们正在开发基于电推进技术的“Vigoride”太空拖车,该拖车能够将卫星送入目标轨道,并提供在轨的机动、检查和升级服务。Momentus的目标是成为太空的“物流公司”,为各类航天器提供支持。

欧洲在在轨卫星维修领域也拥有强大的技术储备和积极的探索。

欧洲空间局(ESA) 是欧洲在轨服务技术的主要推动者。
“ELSAd”(Experimental Platform for Launch, Servicing, and Assembly) 是ESA正在进行的另一个关键项目。ELSAd由日本的Astroscale公司开发,但ESA是其重要的合作伙伴和客户。该项目旨在演示捕获失控或报废的卫星,以及在轨装配等技术。其核心技术包括先进的视觉导航、自主避障以及非合作目标的抓取能力。ELSAd的成功将为未来太空碎片清除和在轨服务奠定基础。
“ClearSpace1”任务 是ESA委托Astroscale公司执行的太空碎片清除任务。虽然其主要目标是清除一个废弃的火箭级,但清除技术与在轨维修技术息息相关,例如精准的相对导航、安全抓取和轨道转移。该任务的成功将为处理太空碎片以及未来的在轨维护提供宝贵的经验。
ESA还资助了许多针对卫星维修和在轨加装的“通用服务模块”(Generic Servicing Modules)的研究,这些模块旨在提供灵活的抓取、推进和通信能力,以支持不同的维修任务。

商业公司 方面,如前所述,Astroscale 是一家由日本投资、在英国和欧洲都有重要业务的公司,他们是太空碎片清除和在轨服务的领跑者。他们的“ELSA”系列任务(包括ELSAd)以及与ESA的合作,都在积极推进在轨维修能力。

中国 在近些年也在迅速发展其在轨服务技术,并且已经取得了一些令人瞩目的成就。

中国的“实践”系列卫星 一直是中国在轨服务技术探索的重要平台。
“实践”系列卫星展示了中国在在轨捕获、转移、加装、维修等方面的能力。例如,一些“实践”卫星能够与目标卫星进行对接,并完成一些预设的任务,这本身就包含了在轨服务的核心技术。
中国的“实践”系列卫星还尝试过在轨喷涂等技术,这对于修复卫星表面可能出现的损伤具有重要意义。
更重要的是,中国在机器人手臂操作方面的进展也非常显著。通过对“实践”系列卫星的测试,中国已经能够实现对目标航天器的精密抓取和移动,这是在轨维修的关键步骤。

中国航天科技集团有限公司(CASC) 和 中国航天科工集团有限公司(CASIC) 是中国航天领域的主要力量,它们都在积极研发和部署在轨服务技术。
CASC已经公开展示了其在轨服务航天器的能力,例如能够对目标航天器进行机械臂抓取、转移和维护。这些技术是为延长卫星寿命、实现太空资产的“再利用”所必需的。
CASIC也在研究和开发用于在轨服务的微型服务航天器,它们能够执行更精细的任务,例如对卫星进行检查、修理或卸载。

其他国家和地区 也在进行相关的研究和技术开发:

俄罗斯 拥有悠久的太空历史,其在太空对接和载人航天领域的经验,为其在轨服务技术奠定了基础。俄罗斯的“多功能战斗空间站”概念(虽然是冷战时期的构想)就包含了在轨进行设备维护和升级的设想。虽然在公开报道中,俄罗斯在现代在轨维修技术方面的具体进展不如美、欧、中那样突出,但其技术积累不容小觑。
日本 通过Astroscale 公司,在全球范围内部署其在轨服务和碎片清除技术。其“ELSA”系列任务的开发和执行,以及与ESA的合作,都表明了日本在这一领域的前瞻性和行动力。日本在机器人技术、视觉导航和自主控制方面具有深厚的实力,这对于在轨维修至关重要。

总结一下,掌握在轨卫星维修技术的“国家或者公司团体”可以概括为:

国家层面: 美国(NASA)、中国(通过其航天机构和“实践”系列卫星)、欧洲(ESA)。
公司层面:
美国: Maxar Technologies, Northrop Grumman (Orbital ATK), Momentus。
欧洲/日本: Astroscale。

技术的关键要素包括:

1. 精确的导航与姿态控制: 能够将服务航天器安全、稳定地引导至目标航天器附近,并保持精确的相对位置。这涉及到先进的视觉导航、激光雷达、以及惯性测量单元(IMU)的融合与协同。
2. 目标识别与自主避障: 能够识别目标航天器,并对其进行状态评估,同时避免碰撞。
3. 机械臂操作与末端执行器: 开发高精度、多自由度的机器人手臂,并配备能够执行抓取、连接、拧螺丝、切割、插拔插头等多样化任务的末端工具(EndEffectors)。
4. 对接与连接技术: 能够安全可靠地与目标航天器进行物理连接,以便进行数据交换、燃料传输或电力供应。
5. 生命支持与动力系统: 为服务航天器自身提供动力,并可能为被服务航天器提供临时的生命支持(如电力或推进力)。
6. 通信与任务规划: 能够与地面控制中心进行可靠的通信,并进行复杂的任务规划与执行。

总而言之,在轨卫星维修技术是一个跨越式发展的领域,它不仅关乎太空资产的经济效益,更关系到未来太空活动的安全性、可持续性和效率。虽然目前该技术尚处于发展的早期阶段,但已经有多个国家和公司团体在积极探索和实践,并已经取得了一些里程碑式的成就。我们可以预见,在不久的将来,在轨维修将成为太空活动中不可或缺的一部分。

网友意见

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目前的答案是掌握技术的有,能实现的似乎没有,在轨常态标准化维修,需要大型空间站平台这种维持存储点+航天飞机这种大批量货物、大型器件运输工具。

两个掌握航天飞机技术的国家,美国放弃了这条技术线,苏联已经解体。而能够具有在轨维护维修能力的大型空间站连影子都没有。

区别于美国,按照苏联原先的技术路线,航天飞机并不是用来完全取代火箭的,而是与火箭发射相配合的大型载荷运输、损坏航天器回收用设备。遇到卫星在轨严重损坏,应该是航天飞机使用机械臂把损坏卫星抓回货舱,带回地面修好后再携带入轨或火箭发射入轨。

但上面那种做法显然更适用于特殊情况处理,而不适合常态化搞,在轨坏一个航天飞机就上天一次,多次往返麻烦不说,经费也在燃烧。


暴风雪航天飞机表示,俺的货仓能装得下空间站核心舱,去修零星损坏的卫星岂不是杀鸡用牛刀,但总不能期待在轨卫星批量损坏吧?

所以按苏联的路子,和平-2方案中我们就看到了500吨级、运行寿命20年起的轨道组装运行中心这类空间站方案,带有大小型轨道牵引飞船、机械臂,机库库房、轨道加注中心、通用轨道平台,在轨修好在轨放走最省心,这是正式立了项的。美国也有类似的大空间站方案。不过最后两家都缩水然后一起搞了个国际空间站,就是现在天上飞那个,上面宇航员没事拍个地球景物,感叹下大自然之美,至于在轨修理什么什么的,没看到的样子。


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