国外在轨服务系统最新发展(下)

正(上接本刊2017年第10期)近年各国持续推进在轨服务系统的项目研究,主要涉及辅助变轨、碎片移除、在轨燃料加注与延寿、在轨装配和在轨维修与升级几个方面。其中,美国重点关注在轨装配、在轨燃料加注任务与相关技术,欧洲重点关注低地球轨道(LEO)碎片移除任务与相关技术,日本、德国等依托自身先进的机械臂技术开展在轨服务项目。从现有发展规划来看,目前在轨服务系统的发展还处于初级阶段,各系统将在2020年前后实现在轨演示试验。随着航天技术的不断发展,未来将会实现更多多功能业务型的在轨服务,航天资产也将向在轨可建造、在     

圆轨道航天器在轨加注任务空间燃料站部署问题

在轨服务技术因在航天器故障修复、寿命延长及军事方面有重大辅助作用而越来越受到各航天大国的重视,作为在轨服务技术重要组成部分的在轨燃料补给技术也越来越受到关注。文章针对圆轨道航天器在轨燃料加注任务,将空间燃料站技术与多目标在轨加注技术相结合,对基于燃料站的在轨加注模式进行了研究,提出了一种基于聚类分析的在轨加注任务调度及优化算法。通过对双脉冲轨道转移问题的求解与分析,获得了轨道转移速度增量和轨道参数之间的关系,在此基础上分析了圆轨道航天器在轨加注任务调度问题,并根据调度模型的变量和约束关系,建立了圆轨道航天器在轨加注任务多目标规划模型,并采用免疫遗传算法对加注任务调度空间燃料站选址问题进行了研究。以30颗目标航天器的在轨加注任务为例进行了数值仿真,并由燃料消耗的计算结果验证了算法的有效性。     

圆轨道航天器在轨加注任务空间燃料站部署问题

在轨服务技术因在航天器故障修复、寿命延长及军事方面有重大辅助作用而越来越受到各航天大国的重视,作为在轨服务技术重要组成部分的在轨燃料补给技术也越来越受到关注。文章针对圆轨道航天器在轨燃料加注任务,将空间燃料站技术与多目标在轨加注技术相结合,对基于燃料站的在轨加注模式进行了研究,提出了一种基于聚类分析的在轨加注任务调度及优化算法。通过对双脉冲轨道转移问题的求解与分析,获得了轨道转移速度增量和轨道参数之间的关系,在此基础上分析了圆轨道航天器在轨加注任务调度问题,并根据调度模型的变量和约束关系,建立了圆轨道航天器在轨加注任务多目标规划模型,并采用免疫遗传算法对加注任务调度空间燃料站选址问题进行了研究。以30颗目标航天器的在轨加注任务为例进行了数值仿真,并由燃料消耗的计算结果验证了算法的有效性。     

对GEO卫星在轨加注的服务航天器组网方案优化

对地球静止轨道（GeosynchronousOrbit,GEO）卫星在轨加注燃料以延长其工作寿命蕴含着巨大的经济价值,而执行加注任务的服务航天器在轨组网方案直接影响在轨加注任务全局。文章以GEO卫星为在轨服务对象,开展了提供加注服务的航天器最优组网方案研究。提出了1个燃料存储站加N个加注飞行器的服务航天器体系架构,燃料存储站承载大量燃料,长期在轨稳定运行;加注飞行器机动运行,执行对GEO卫星加注任务,当加注飞行器燃料不足时,返回燃料存储站获取燃料。燃料存储站的质量、运行轨道,加注飞行器的数目、质量与运行轨道、对GEO卫星提供加注的加注飞行器任务分配等是组网方案研究的重点,建立了以对GEO卫星加注任务的响应时间短、服务系统成本低为互斥评价准则的服务航天器组网方案的多目标优化设计数学模型,分析了组网方案优化问题的求解方法及流程,采用多目标粒子群算法对服务航天器组网方案进行了优化设计,通过分析一组非支配优化设计结果对于2个互斥评价准则的平衡性,提出了1个燃料存储站加4～6个加注飞行器的服务航天器最优组网方案。     

他山之石 可以攻玉——国外卫星在轨操作系统发展分析

卫星在轨操作任务主要包括在轨燃料加注、在轨模块更换、在轨发射、在轨空间碎片清除等。值得指出的是,在轨操作可以针对己方航天器进行,也可以针对敌方航天器进行。能够通过在轨加注延长航天器寿命,也可以利用交会对接和空间机械手技术将敌方航天器拖离目标轨道,具有巨大的商业和军用潜力。     

美国轨道工厂公司商业在轨加注服务现状与发展

<正>美国轨道工厂公司（Orbit Fab）于2023年5月25日宣布,将通过“燃料库”（fuel depot）有效载荷,在2025年为美国天军（USSF）地球同步轨道（GEO）小卫星泰特拉-5(Tetra-5)提供商业在轨加注服务。“燃料库”载荷将配备名为“快速连接燃料转移接口”（RAFTI）的标准加注接口,为同样配备RAFTI接口的客户航天器泰特拉-5卫星在轨加注约50kg肼燃料。该任务标志着在轨加注技术正逐步迈向实用化、商业化。在轨加注服务是指在太空中利用服务航天器为目标航天器（客户航天器）进行气、液推进剂补给的在轨操作,是未来在轨服务领域的重要组成部分。文章将梳理研究轨道工厂公司在轨加注服务发展情况,并提出几点研究启示。     

国外在轨燃料加注站构型研究

正在轨燃料加注站作为空间运输系统新的组成部分,能够有效提高运载火箭的运载能力,实现更大规模的空间探测任务,有效满足更多的空间探测任务需求。在轨燃料加注站具有渐进式的开发过程、高飞行率、重复使用率以及多目的/多用途等特性,值得将它作为人类开发太空的一项长期活动进行下去。本文首先对在轨燃料加注站的构型进行了研究和评估,之后对在轨燃料加注站的在轨运作系统开展初步构想设计。     

卫星轨道服务系统的发展与应用前景

1 引言 □□根据美国国防部高级研究计划局的合同,由波音公司牵头的研制团队,正在加快研制称为"轨道快车"(Orbital Express)的自主机器人卫星轨道服务系统.2006年9月将发射验证系统,2010年部署实用操作系统,构成在轨加注燃料、维修和卫星升级等置换卫星部件能力.加注燃料能延长卫星寿命,增加发射裕度,提高卫星机动性.利用设计成轨道置换单元(ORU)的硬件包在轨置换部件,使在轨卫星能得到维修或升级.验证卫星的主要任务是验证轨道交会和接近操作、软件捕获、标准接口、机器人、流体加注器和轨道置换单元的置换器功效.经过验证和对用户需求调查,最终实用系统的服务范围将有一定规模的扩大.     

机器人上演太空加油秀

2013年1月14日～25日,美国航宇局(NASA)和加拿大航天局在国际空间站上成功完成了"机器人燃料加注任务"(RRM)技术演示验证的第三项重要试验,即在轨加注模拟乙醇燃料。这是NASA继2012年3月和6月先后完成开启RRM工具启动锁切割卫星锁线和拆除模拟卫星冷却剂气体设备试验之后,在RRM中取得的又一重要进展,标志着美国在机器人燃料加注技术方面获得了新的突破。     

国外在轨装配技术发展简析

2016年,欧洲航天局（ESA）将资助研究立方星在轨自主交会对接技术,拟在此基础上发展利用多颗立方星在轨自主装配成大型航天器的技术。2015年,美国公布了多个在轨装配技术项目：美国航空航天局（NASA）于7月宣布开展“大型结构系统太空装配”（SALSSA）项目;劳拉空间系统公司（SS/L）在8月被美国国防高级研究计划局（DARPA）授予用于在轨自主装配地球静止轨道通信卫星的“蜻蜓”（Dragonfly）项目合同;11月,NASA在“临界点”（Tipping Point）计划规划的“航天器与空间结构的机器人太空制造与装配”主题下授出了3份合同,其中包括与劳拉空间系统公司合作开展“蜻蜓”项目地面演示和飞行演示验证。在轨装配技术将成为低成本快速部署航天器的途径之一,推动大型高性能航天器（例如大型深空探测补给站和空间望远镜）的发展,是以美国为主的、多个国家大力发展的重要在轨服务技术。     

在轨3D打印及装配技术在深空探测领域的应用研究进展

以太阳帆深空探测为引子,对以在轨3D打印及装配技术为基础的在轨制造技术的必要性和可行性进行分析,分别阐述了在轨3D打印技术的技术优势、技术可行性以及在轨装配的最新研究进展,并重点研究了美国NASA资助的“蜘蛛制造”在轨制造技术,此项研究成功地将在轨3D打印和空间自主装配有机结合起来,有望突破目前空间可展开机构无法达到万米量级的技术局限性,为中国深空探测的发展提供了一种可供选择的发展思路。     

在轨服务软体机器人应用展望

软体机器人以其安全性高、功能多样、易于驱动等独特的优势，近些年来受到了广泛的关注。对软体机器人应用于未来空间在轨服务任务的设想，首先从现有用于在轨服务任务的空间机器人抓捕装置入手，分析了软体机器人用于在轨服务任务的可行性与优势，然后以软体抓捕装置为例，介绍了软体机器人的发展现状，最后提出了软体机器人用于在轨服务任务的建议。最终目标是通过将软体机器人引入在轨服务任务，提升我国在轨服务的智能化水平。     

空间机器人操作：一种多任务学习视角

利用空间机器人辅助、代替航天员完成在轨服务操作是近年的技术发展趋势。基于学习的空间机器人操作以深度神经网络为控制器载体,对非结构化太空环境适应能力强,在高轨、地外、深空等场景具有良好应用前景。目前,无论是空间机器人操作,还是地面机器人操作,多数研究只关注单一任务学习问题。立足一种多任务学习新视角,针对空间机器人操作面临的多任务适应性要求高、精细化要求高、不确定性强问题,首先分析了在轨服务的多样化任务需求。其次,全面综述了机器人操作多任务学习算法与应用相关工作,分析了开展空间机器人操作多任务学习的难点挑战,给出了关键技术发展建议。相关关键技术的突破将有助于提升空间机器人系统的自主性、鲁棒性,进而助力中国在轨服务技术向无人全自主方向推进。     

基于θ-D方法的在轨操作相对姿轨耦合控制

针对诸如模块更换、燃料加注等在轨操作任务中的相对动力学与控制问题,建立了描述航天器间近距离相对运动的轨道姿态耦合动力学模型,结合轨道摄动和姿态干扰力矩分析了耦合项对模型的影响。考虑到基于状态相关系数形式模型的非线性和时变性,采用θ-D次优控制算法设计了相对姿轨耦合控制器。以在轨加注任务最终逼近段为背景,针对目标航天器失控旋转的情况进行了数值仿真,仿真结果表明了θ-D控制算法能够实现对相对轨道和姿态的同步控制,简化对控制器的求解并具有较高的控制精度。     

天基激光移除空间碎片仿真平台研究与开发

为了从空间碎片和天基移除系统两方面分析激光驱动碎片变轨过程,优化移除任务规划和策略,基于真实的可观测空间碎片数据,设计并开发了一套天基激光移除空间碎片三维数值仿真平台。首先从总体设计出发,对三维数值仿真平台的需求分析、总体框架、模块功能进行了明确的描述。其次通过对激光驱动空间碎片变轨过程数学模型的分析,确定了各模块的具体实现方法。最后采用C++/Qt开发了三维数值仿真平台,通过仿真验证了设计平台的有效性。该仿真平台可用于不同天基平台和目标碎片的任务规划、碎片分布热点区域和航天器防护区域的方案设计及空间环境治理体系的优化设计。     

基于在轨组装维护的模块化深空探测器技术进展与应用研究

在轨组装与维护是航天器在轨服务技术的基本内容,而模块化设计则是实现航天器在轨组装与维护的一项主要支撑技术。调研总结了国外深空探测领域模块化航天器设计以及在轨组装与在轨维护实施的技术进展,主要包括模块化地外行星着陆探测器、大型在轨组装深空探测器、布置于SEL2(Sun-Earth Libration 2)等轨道的超大型在轨组装空间望远镜系统等,分析了深空探测器领域应用模块化设计实现在轨组装与维护的关键技术要素。针对深空探测航天器长寿命、高可靠、特殊推进系统及其设备配套等技术特点与需求,提出一种应用在轨组装与维护技术的火星多任务探测器系统设想,介绍了探测器系统的任务架构、基本组成、轨道策略等,为我国深空探测技术发展以及新型深空探测器研制提供参考。     

基于学习的空间机器人在轨服务操作技术

发展具备全自主操作能力的在轨服务航天器是未来航天领域的重要方向,而赋予航天器自主学习能力是实现自主化操作的重要手段.本文首先对近年来国外在轨服务操作的重要研究计划和关键技术进行了分析,并系统论述了基于学习的机器人操作技术的主要理论和方法.然后,结合未来在轨服务的需求,对我们在此领域的初步研究成果“基于学习的在轨燃料补加控制系统”进行了介绍.最后,结合航天领域的特点,分析了基于学习的空间机器人在轨服务技术所面临的挑战和未来的发展方向.     

空间机动服务平台在轨补给技术研究

根据空间机动服务平台的特点,对推进剂在轨补给技术进行了研究,提出了一种空间机动平台推进剂在轨补给方案,即基于表面张力贮箱作为加注箱和接受箱的双组元推进系统的在轨加注方案。该方案具有如下优点：与现有卫星推进系统相匹配,改动量最少;没有使用任何活动部件,提高了系统的可靠性;产生的热量比倍压式要少,便于缩短加注时间,提高加注的可靠性和安全性。依据这一方案对空间机动平台在轨补给系统进行了详细设计。     

中继卫星系统支持中/低轨航天器飞行测控任务技术研究

随着中继测控终端小型化和高增益、宽波束天线技术的发展, 特别是中国后续 中继卫星将具备S频段多址服务能力, 使得依靠中继卫星系统实现航天器飞行 测控和所有在轨卫星的日常管理成为可能. 通过分析中继测控支持中/低轨 道卫星在轨测控的能力、优势和基于中继测控实现卫星发射弹道优化策略, 提出了定向天线中继终端应急测控方法. 研究结果表明, 中继卫星系统能够为航天器飞行任务从发射、入轨到在轨管理提供测控服务, 特别是基于多址 服务能力的中继卫星系统从数量上完全满足中国在轨卫星的测控需求, 测控效率和应急能力将得到明显提升.      

基于Kinova机械臂RGBD相机的目标抓取

在轨服务与维护是未来航天技术的重要发展方向.在轨服务如燃料加注、剪切与操作电线、旋拧盖子和拆装阀门等任务,具有负载轻、近距离感知及精准定位和抓取等特点.针对这些应用场景,采用轻量化机械臂Kinova及自带彩色和深度(red, green, blue and depth, RGBD)相机进行感知、定位和抓取,完成地面验证实验,为在轨服务提供理论支持.介绍了机械臂抓取系统的研究背景并描述开发平台及其特点,以及相机标定、彩色相机与深度相机配准原理.利用机器人操作系统(robot operating system, ROS)的坐标变换树得到彩色图像目标像素在世界坐标系的坐标位置.针对特定的抓取对象提出基于色调、饱和度和亮度(hue, saturation and value, HSV)颜色空间图像分割方法,进行目标检测、分割以及空间定位,实验环节机械臂根据视觉定位结果完成目标抓取过程,证明了颜色空间图像分割方法和深度图结合定位的有效性,为在轨服务提供了理论验证.