【原创文章】诺格在轨服务航天器成功续命退役通讯卫星,开创商业在轨服务新时代

2020年2月25日,美国诺格创新公司的“任务扩展航天器”(Mission Extension Vehicle-1,简称MEV-1)顺利捕获停泊在“墓地轨道”的退役通信卫星Intelsat-901。两颗卫星在形成刚性连接后,MEV-1先“挟持”Intelsat-901卫星进入新的工作轨道,并替代卫星自身推进系统提供保位服务,从而为这颗推进剂耗尽的卫星延长3~5年的寿命。4月17日诺格创新公司宣布Intelsat-901已经返回同步轨道且重新定点,并于4月2日重新开始提供通讯服务。此次延寿服务预计将持续五年,到2025年结束。此次延寿结束后,MEV-1将继续为国际通信卫星组织的其他类似退役卫星提供“续命”服务。这是人类首次以购买“延寿服务”的形式为在轨航天器提供支持,被称之为“商业化在轨服务”第一单。
这一单业务可谓来之不易,因为对一颗昂贵的静止轨道通讯卫星而言,大部分入轨重量都被用来抬升轨道和姿控保位的推进剂所占据;一旦推进剂耗尽,即使星上设备依然正常,也不得不忍痛将其退役。其实这些卫星仅需补加推进剂,就能发挥“余热”继续服务,因此早在上世纪六十年代,航天器在轨服务(包括在轨加注)的概念就已提出。但历经几十年发展后,商业卫星的在轨服务依旧未能实用化。尤其是在轨加注推进剂,该技术需要卫星在升空之前就设计有加注接口,额外增加了卫星成本和技术风险。因此卫星制造商普遍认为需要在轨补加技术成熟后再设计加注接口,而在轨服务商则认为先普及接口才能开展实验并使之成熟,最终陷入了“应该先有鸡还是先有蛋”的死循环,迟迟未能商用。目前停留在部分军用和技术验证项目上,其中具有代表性的就是DARPA的“轨道快车”计划和后续的“凤凰”计划。

搭车上天,电推变轨,顺利“挟持”

与其他在轨服务项目类似,MEV的发展也颇为坎坷,其概念最早始于2011年轨道ATK(Orbital ATK)公司出资50%成立的合资公司Vivisat。但该公司在2016年宣布倒闭,项目归属轨道ATK公司。同年,MEV终于获得启动客户Intelsat的首个订单,但不料2018年项目再度易手,轨道ATK公司被诺格公司收购,成为“诺格创新”(Northrop Grumman Innovation Systems)。2019年10月,历经波折的MEV-1搭载“质子”运载火箭与Eutelsat 5 West B卫星一同升空,正式开启了此次商业化在轨服务。
MEV-1能率先商用的关键在于其设计上不再纠结于使用被服务卫星自身的推进系统,也不为其加注推进剂;而是利用所有大型商业卫星几乎都具备的发动机喷管和星箭对接环结构,首先MEV-1的对接探头穿过被服务卫星发动机喷管狭窄的喉部,在发动机燃烧室内展开锁紧机构,随后拉近两星距离,以对接“非合作目标”的方式“挟持”被服务卫星,直至卡住对接环并锁紧,最终形成刚性连接。之后MEV-1将代替被服务卫星的推进系统,帮助其变轨、维持姿态和保持位置,被服务卫星的转发器则继续正常工作。
此次服务对象Intelsat 901卫星由劳拉空间系统公司(Space Systems Loral)制造,于2001年6月由阿丽亚娜4(Ariane 4)火箭发射升空,设计寿命13年,工作16年后被更强大的高通量卫星Intelsat-37e卫星替代。因此Intelsat-901进入坟墓轨道濒临退役,但星上大部分转发器仍可正常工作,因此被选为MEV-1的首个服务对象。
目前MEV-1和Intelsat-901形成组合体后正在进行一系列测试,测试结束后即可返回静止轨道恢复通讯服务。而5年的延寿完成后,MEV-1会将其重新推入坟墓轨道,从而让出轨位,而MEV-1可以为其它卫星继续进行延寿服务。有趣的是,MEV-1还需要获得美国国家海洋和大气管理局(NOAA)的许可,这是因为MEV-1具有用于对接的摄像头,该摄像头也可“顺便”对地球成像,因此需要遥感许可证。

灵活平台,经验丰富,军民两用

MEV-1总重2.3吨,设计寿命长达15年,基于原轨道ATK公司的GEOStar卫星平台研发,该平台结构紧凑,设计敏捷,可以适应多种任务类型。比如美国空军(现已隶属太空军)的“同步轨道空间态势感知项目”(Geosynchronous Space Situational Awareness Program,以下称GSSAP),就是采用的GEOStar平台。GSSAP首批两颗卫星于2014年发射升空,任务目标是对同步轨道上他国航天器进行跟踪和监视,入轨后两星分别沿着地球静止轨道的上方和下方漂移,因此仅需一次抵近就对目标星进行全面成像。迄今为止,GSSAP已经发射四颗卫星。据报道这批卫星非常活跃,数年间进行了累计上百次轨道机动,借此对各国的多颗静止轨道卫星进行了抵近成像。GSSAP在同步轨道的大量机动和交会对接为同一平台的MEV-1积累了经验和技术。但MEV-1相对GSSAP的抵近侦察更为复杂,因为MEV-1还需与目标对接并挟持其变轨。而且对接目标Intelsat-901是理论上的“非合作目标”,所以MEV-1可视为“破坏”或“挟持”他国航天器的“演习”,从技术上又反哺了GSSAP及其他后续的军用项目。
除此之外,MEV-1还结合了“天鹅座”货运飞船交会对接技术。使用电推进行升轨保位,化学推进器执行交会对接。还有,MEV-1使用的对接机构借鉴了哈勃太空望远镜的有人在轨维护时的设计,此外还从NASA获得了部分技术援助。

开创先河,需求强劲,改型可期

目前MEV-1仅有Intelsat一家客户,但据统计Intelsat至少还有6颗在轨的通信卫星可交由MEV服务,因此需求依然强劲,功能与MEV-1类似的MEV-2正在制造且预计于年底搭载升空。MEV-1的服务模式受Intelsat青睐是有原因的,首先MEV-1采用成熟平台,利用电推降低重量,还采用搭载发射方式入轨,从而大幅降低发射成本。其次,近年来以Viasat为代表的高通量静止轨道通信卫星报价居高不下,而以星链(Starlink)为代表的低轨互联网星座来势汹汹,重金采购大批替代星存在一定风险。因此对于Intelsat拥有的一批星上设备依然完好,但推进剂耗尽的卫星而言,每年为MEV-1支付1300万美元延寿费用,使退役卫星“起死回生”显然比替代发射更具性价比和灵活性。由于待服务卫星大多当年由阿丽亚娜和质子火箭发射,星箭接口基本统一,因此公司表示目前静止轨道上80%的商用通讯卫星都与MEV-1的对接系统兼容。
但目前的服务模式仍有不足,MEV在整个延寿期间都必须与被服务卫星连接,时刻被占用,因此MEV-2之后诺格暂时不打算制造新的MEV延寿航天器。而最理想的在轨服务航天器,应在维修或加注完成后就可以分离待命或准备下一次任务。这样一来,任务周期可以大幅缩短,服务效率和可服务对象数量也大幅增加,这正是未来真正在轨服务的方向。诺格正在研发的下一代在轨服务平台MRV(Mission Robotic Vehicle)就是这个思路,每个MRV带有多个任务扩展舱(Mission Extension Pod),每个扩展舱都可以安装到被服务星上并充当独立的推进系统,且无需MRV一直驻留,可以做到“一机对多星”,并且“装完就走”,诺格公司表示该系统目前已有三家意向客户,并预计于2024年发射入轨。

总结

总的来讲,MEV并非理想中的在轨服务形式。但MEV的成功是值得肯定的,它并不追求一步到位式的在轨服务,而是退而求其次,尽快成型并获得商业盈利,逐步树立市场信心,培育客户的同时支撑后续在轨服务的升级迭代,同时也抢在其他在轨服务企业之前占领市场。最关键的是打响了“商业在轨服务”的第一枪,航天飞机时代在轨服务的经验和近年来机器人在轨服务的技术积累终于有了实用化的途径。不仅如此,部分军用技术也借此民用化,而部分在轨服务技术借商业化平台得到验证和成熟后又可以支持军用,形成互利互补的局面,其思路值得借鉴。

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