當(dāng)前,服務(wù)航天器再次受到青睞,一如NASA研發(fā)的多任務(wù)模塊化航天器(MMS)和以服務(wù)思想設(shè)計研發(fā)的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡一樣。
按照2010年國會立法及5年后的修訂版要求,NASA需要旗艦式天體物理學(xué)任務(wù)支撐服務(wù),即使其軌道在100多萬千米之上。NASA還發(fā)布了信息征求,尋求既可服務(wù)小行星再定向任務(wù)(ARM),又可為近地軌道政府衛(wèi)星補充燃料的航天器設(shè)計理念。
戈達(dá)德航天飛行中心衛(wèi)星服務(wù)能力辦公室(SSCO)項目副主任雷德說40年一循環(huán)又開始了,SSCO負(fù)責(zé)研發(fā)所有哈勃望遠(yuǎn)鏡的服務(wù)技術(shù),目前正在研發(fā)并演示驗證下一代服務(wù)技術(shù),包括在國際空間站開展演示驗證。他認(rèn)為,NASA正走在通向未來之路。
今昔在軌服務(wù)對比
衛(wèi)星服務(wù)并非新鮮事,迄今為止,庫卡機器人,美國已經(jīng)五次維修哈勃望遠(yuǎn)鏡;1984年,使用MMS服務(wù)衛(wèi)星平臺對太陽峰年(SolarMax)探測器進(jìn)行了維修。與過去不同,如今的衛(wèi)星服務(wù)面向未來,所需技術(shù)要確保任務(wù)成功。機器人航天器可能與地面操作人員一道,共同執(zhí)行各種操作,而不是宇航員使用自動化工具或其他專用工具執(zhí)行操作,就像在近地軌道維修哈勃望遠(yuǎn)鏡和太陽峰年探測器那樣。
SSCO工程師表示,戈達(dá)德已經(jīng)知道如何為近地軌道衛(wèi)星提供服務(wù),現(xiàn)在正在研究近地軌道之外的服務(wù),未來的旗艦任務(wù),包括廣域紅外望遠(yuǎn)鏡(WFIRST-AFTAT)和其他未來的天文臺都在更遠(yuǎn)的軌道上運行。由于擔(dān)心在技術(shù)上不可能實現(xiàn)對拉格朗日L2點任務(wù)提供服務(wù),有些人建議在在地球靜止軌道(GEO)運行天文臺,距離月球大約10%的距離。
機器人燃料加注
目前,NASA正在國際空間站進(jìn)行機器人燃料加注(RRM)任務(wù)第二階段的在軌演示驗證,使用加拿大航天局的雙臂自動機器人Dextre,工業(yè)機器人維修,驗證未來機器人如何在太空服務(wù)衛(wèi)星并為衛(wèi)星加注燃料。
其中一種工具是視覺檢查可挑姿無脊椎機器人(VIPIR),其上配有電動變焦鏡頭照相機、管道鏡照相機、態(tài)勢感知照相機。借助這個機器人眼睛,任務(wù)操作者可以排除異常,庫卡機器人驅(qū)動器維修,研究微流星體的撞擊,并并執(zhí)行遙控衛(wèi)星維修工作。2015年早些時候NASA成功演示了VIPIR的能力。
在RRM第三階段,SSCO團(tuán)隊計劃演示驗證氙氣的轉(zhuǎn)移,這是一種無色無味的高密度氣體,有望用于離子發(fā)動機中。
不過,RRM僅僅是SSCO服務(wù)未來工作中的一小部分。
ROSE與Restore
為了易于接受服務(wù),無論衛(wèi)星處于何種軌道,其自身必須設(shè)計成可接受維修。例如NASA的MMA服務(wù)衛(wèi)星平臺采用模塊化設(shè)計,易于宇航員為出現(xiàn)故障的太陽峰年探測器更換新的姿控系統(tǒng)。哈勃望遠(yuǎn)鏡采用的是部件級別的在軌維修,由于缺少模塊化設(shè)計,NASA幾乎要為每個部件和任務(wù)開發(fā)專用工具和程序。
SSCO要提高到一個新水平,模塊化設(shè)計是關(guān)鍵。SSCO正在開發(fā)用于科學(xué)探索的可重構(gòu)運行航天器(ROSE)項目,目的是在MMS成果基礎(chǔ)上,開發(fā)一種低成本的服務(wù)航天器。SSCO的首要目標(biāo)是在系統(tǒng)級別上提供的長期、經(jīng)濟(jì)可負(fù)的服務(wù)能力,這就要求ROSE在執(zhí)行中型任務(wù)時具有高度靈活性。SSCO將ROSE視為未來任務(wù)的探路者。
SSCO正在研發(fā)機器人服務(wù)航天器。過去幾年,SSCO實施了一項名為修復(fù)(Restore)的概念性任務(wù),目的是在地球同步軌道和近地軌道為衛(wèi)星加注燃料。
關(guān)鍵服務(wù)技術(shù)是用于NASA的小行星再定向任務(wù)(ARM)中。ARM將從近地小行星上抓捕一塊巨石,將其送入繞月的穩(wěn)定軌道上,以備宇航員實施探測。按照NASA的信息議案征詢,同樣的航天器還可以為近地軌道的政府衛(wèi)星加注燃料。
可以想象一組Restore航天器,一個可以為WFIRST加油并提供服務(wù),服務(wù)未來SEL2軌道的天文臺;另一個可以駐留在別的軌道用于執(zhí)行其他服務(wù)任務(wù),例如在太空裝配20米的分塊鏡片。