“軌道快車”系統

2007年3月8日，美國“宇宙神”5型火箭攜帶“軌道快車”(OrbitaI Express)先期技術驗證裝置從佛羅呈達州卡納維拉爾角發射升空，開始了為期4個月的自主交匯和停靠能力驗證試驗。“軌道快車”系統由兩顆衛星組成，一顆是作為維修衛星的波音公司“自主空間傳送機器人軌道器”(Autonomous Space Transport Ro-botic Orbiter, ASTRO), 另一顆是鮑爾宇航公司替代下一代耐用衛星(NEXT generation seviceable Satellite，NEXTSat)進行試驗的客戶衛星、它們被部署在492千米的圓形低地球軌道上傾角46度經過驗證試驗後NEXTSat和ASTRO衛星分別於7月21入日和22日脫離軌道。

基本介紹

• 中文名：“軌道快車”系統
• 實質：衛星系統
• 時間：2007年3月8日
• 所屬：美國

“軌道快車”計畫的概況

軌道快車項目作為空間試驗計畫(STP)的一部分“由美國國防部出資除了軌道快車”空間試驗計畫還包括STPSat-1衛星和另外3顆小衛星。

“軌道快車”計畫的目的

“軌道快車項目的用途是驗證星載機器人維護在軌衛星的技術可行性，演示驗證在軌互動對接，在軌維修與器件更新等操作。按照美國航空航天局的說法，“軌道快車”計畫的目的是驗證衛星交匯，捕獲，停靠，維修以及補充燃料等空間技術，以支持未來更廣泛領域內的商用，民用和國防空間計畫，“為美國未來空間能力的關鍵技術提供支撐在今後幾十年內替代太空人的空間操作”。
具體地說美國期望通過該驗證項目獲得新的空間操作能力，包括為衛星補充燃料使其能夠進行機動以擴大覆蓋範圍，改變飛臨目標上空的時間並提高衛星的生存能力，延長其壽命對在軌衛星進行維修更換故障組件，更新系統部件，調整衛星結構，使衛星能夠在發射後進行技術升級而不需要發射新的衛星：進行空間資源保護或部署專業衛星進行空間檢查，在提高在軌衛星性能的同時減少其壽命周期費用，並為其他軌道維修任務提供技術儲備。
除了民用和商業空間活動，“軌道“快車”計畫將使衛星能夠支撐重要的國防任務，在空間作戰領域引發新一輪革命尤其是，在軌衛星燃料補充技術將為美國衛星提供更強的機動能力為應急任務提供靈活的戰術安排。比如，通過機動飛行避免空間碎片或其他物體的碰撞改變偵察衛星的運行軌道和對地面目標的觀察時間，以對抗地面的偽裝活動等等。

“軌道快車”的一對試驗衛星

“軌道快車”系統的兩顆衛星由“宇宙神”5，型火箭同時發射Astro維修衛星安裝有先進的機器人可以為客戶衛星在軌更換部件、補充消耗品，NEXTSat客戶衛星則替代“下一代耐用衛星”進行試驗，既代理(surrogate)被維修衛星，也在試驗中作為維修衛星的燃料和備件倉庫；兩顆衛星相伴著圍繞地球旋轉並多次進行停靠和分離以驗證在軌燃料補充和衛星修復技術，包括更換電池和計算機，關鍵的技術裝置是一個先進而小巧，稱為先進視頻導航感測器(AVGS)的自主導航系系統，主馬歇爾空間飛行中心研發
ASTRO維修衛星長70英寸(177.8厘米1)寬64.8英寸(164.6厘米)在軌燃料重700千克太陽能電泄板長200英寸(508厘米)，功率1560瓦衛呈的機械手重71千克，外形尺寸65、49、186厘米，臂長3米功率131瓦是一個六自由度裝置星上的自主交匯與捕獲感測器系統包括2苗可見光相機分別為量程200千米/視角6.5量程100千米/視角40 還有量程20千米的長波紅外成像儀和量程10千米的雷射測距儀各一台ASTRO衛星能夠在500米範圍內通過與存儲的不同角度拍攝的NextSat衛星圖像相比較確定其相對姿態ASTRO的機動和定位系統有16個3.6牛的進器和反作用輪(reaction wheels)
NEXTSal客戶衛星重224千克長99英寸(251厘米)，寬387英寸(98.3厘米)，功率500瓦該星以美國鮑爾實驗室RS-300慣性衛星標準平台為基礎並為在軌更換組件而重新設計了指揮控制，數據處理等星載部件和軟體，包括，與ASTRO星交匯操作的輔助設備(如被動對接敏感器，反向反射器和交叉形對接機構)、十字形網路天線，分離機構、軌道更換單元、存貯艙(包括34千克燃料貯箱) 燃料輸送模組以及與ASTRO星相匹配的機械，電氣接口等NEXTSat衛星具有雙重功能一是代理下一代耐用衛星進行試驗，二是在試驗中作為在軌倉庫儲備燃料和備件。

“軌道快車”的驗證內容

“軌道快”車的驗證項目包括一周時間的初始校驗，對接後的推進劑傳送試驗：ASTRo利用機械手向NEXTSat傳送電池，拔插2個感測器計算機的電源插頭，抓住NEXTSat衛星並將其移動到2米左右的不同位置然後與ASTRO重新對接，NEXTSat衛星被釋放並自主飛行，ASTRO衛星退後，16分鐘後重新停靠，最後，改變照明條件，在7千米的範圍內進行7次交匯和捕獲演練所涉及的操作大體上可以分為以下幾類：
(1)自主捕獲衛星。ASTRO衛星在靠近NEXTSat衛星時利用機械手前端照相機獲取的圖像，自主捕獲NEXTSat甚至在相對對動速度和初始偏差很大的情況下仍然能夠順利完成任務。
(2)自主定位及對接。ASTRO靠近NEXTSat將其捕獲，用機械手進行定位，並可靠地對接。
(3)主視頻監測，對接以後，對衛星將要進行機械操作的位置進行視頻監測，監測點包括旋轉機械裝置、天線、接口界面，相機和太陽電池板等
(4)自主更換組件，標準備件包括電池，飛行計算機，科學儀器以及其他可替換的組件。在被損壞或需要更新的部件被替代後，開始實際的維修操作。
上述驗證內容是未來衛星維修中的典型操作，必須可靠、低成本並高度自主地進行通過4個等級的維修操作驗證，最終全面驗證衛星的自主維修能力

“軌道快車”計畫的進展

2002年3月，美國國防高級研究計畫局(DARPA)確定波音公司作為“軌道快車”計畫的主要承包商，負責完成第二階段軌道快車“先進技術的研製任務。項目團隊由“幻影”工作小組領導，成員包括鮑爾宇航公司、TRW空間與技術公司、麥克唐納機器人技術公司查爾斯實驗室以及星系統科研公司。其中，星系統科研公司負責停靠捕獲系統，麥克唐納機器人公司負責ASTRO的機械臂及相關的計算機軟硬體，諾·格公司負責燃料傳輸和推進系統(包括連線兩星的流體軟管)，軌道科學公司負責’先進視頻導航感測器，麻省理工學院實驗室負責任務管理軟體的開發。
美國國防部飛彈防禦局為先進空間機器人技術的研發花費了20多億美元，以支持未來有人及無人衛星維修，軌道快車就是項目之一。其他項目中，安裝在太空梭上的機器人系統已經部署，捕獲和維修了許多在軌飛行的衛星，包括對哈勃空間望遠鏡的4次成功維修在國際空間站上裝有移動維修系統，維修對象不僅是國際空間站自身，而且包括訪問國際空間站的空間飛行器。
“軌道快車”驗證計畫的內容很廣泛，包括國防，民用和商用等領域的技術驗證任務，2007年3月8月開始的“軌道快車”任務中，第一次在空間進行無人更換組件，成功進行了如下試驗：
(1)燃料傳送和組件更換試驗。在發射一周后，成功地從ASTR0NEXTSat傳輸肼燃料，其中，利用壓力傳輸系統傳送了31.97磅(14.50千克)，利用傳送泵系統傳送了19.2磅(872千克)，接著，ASTRO利用機械手向NEXTSat傳送一個重24千克的電池並將其成功安裝到NEXTSat能源系統中、這些驗證任務是在衛星最低等級的自主功能下進行的，需要一些來自地面的命令。在以後的試驗中將減少對地面確認的需求，使。軌道快車。更自主地進行飛行驗證。
(2)自主停靠和捕獲驗證試驗。5月11日，“軌道快車”系統成功完成了自主飛行停靠和捕獲任務。ASTRO衛星利用攜帶的照相機、視頻導航系統和停靠機械裝置，靠近並捕獲NEXTSat隨後與之分離、後退到10米及30米的距離，並保持靠近飛行，然後再次利用其機械手完成對NEXTSat的捕獲。這項驗證任務完全由衛星自主完成，沒有交換相對導航信息、沒有任何干預。也沒有由地面控制，標誌著首次自主在軌停靠與捕獲操作獲得成功。
(3)全自主運轉和捕獲驗證試驗。6月16日，在5個小時的試驗中，“軌道快車”系統完成了NEXTSat衛星自主運轉和捕獲試驗。ASTRO維修衛星與NEXTSat客戶衛星成功進行了分離、旋轉和對接操作。這次試驗最初用被動感測器進行導航信息的非主動交換，或者由地面控制器參與。ASTRO衛星定位在NextSat衛星上方60米，沿著一條虛擬的“Rbar”線——一條地心經NextSat衛星的延長線去捕獲後者。
ASTRO和NEXTSaI在對接模式上開始驗證。在預定時間ASTRO自主地與NextSat分離到120米的距離，隨後保持這個距離圍繞後者旋轉17分鐘，在飛行過程中利用感測器系統持續跟蹤後者並微調與它的距離。然後，ASTRO機動到NEXTSat上方，沿“Rbar”線方向接近後者到幾厘米的距離，捕獲機械裝置抓住NEXTSat，輕柔地使兩星對接到一起。

“軌道快車”技術的潛在軍事套用

無容置疑，一顆具備在軌監視，燃料加注、硬體更換，軟體修改功能的衛星，也自然能使客戶衛星失效，損毀能惡意修改星上軟體，能幹擾衛星的通信，還能通過噴塗化學物質遮擋衛星感測器的視場，而且這種反衛星手段具有極大的隱蔽性。因此，“軌道快車”中驗證的關鍵技術擁有潛在的軍事套用前景。一旦“軌道快車”技術成熟，美軍將進一步提高其空間感知、空間控制和空間作戰能力，並直接推動空間攻防技術邁向實戰，為最終在空間部署反衛星武器、確立絕對空間優勢打下基礎。
“軌道快車”技術在如下幾方面具有極高的軍事價值和誘人的軍事套用前景。

提高空間監視能力

“軌道快車”衛星利用星載監視設備以及靈活的軌道機動和精確定位能力，不僅可以繞飛到特定的敵方軍事目標上空，鎖定感興趣的目標區域進行持續偵察、監視，跟蹤，利用星載成像設備拍攝高解析度圖像，為軍事作戰提供實時信息支援而且能靈活避免對方的反衛星偵察，保護自身不受敵方的攻擊，從而提高衛星的生存能力。

實現天基反衛星

“軌道快車”項目所驗證的技術為美國研製反衛星武器奠定了基礎一一既可利用高精度自主末制導(包括自主導航)技術及靈活快速的軌道機動能力，對敵對國的軍事衛星實現動能直接撞擊；又可以利用星載機械臂將其拉近、實施破壞乃至摧毀，或將它推離正常軌道，使之喪失作戰能力，或利用衛星停靠技術，對其實施軟殺傷。這種天基太空攔截方式的主要優點是：攔截距離大可以在全球範圍內進行攔截，不受被攔截目標軌道高度的限制，使用方便，隱蔽性好。
美國雖然沒有公開宣示進行反衛星技術的研發，但是各種事實表明，美國近年來一直在大力發展反衛星技術。它發展的“自主交會技術演示驗證”(DART)衛星和XSS系列衛星，包括2003年發射的XSS-10及2005年發射的XSS-11可以為發展反衛星武器提供技術支持。

在軌補給，延長衛星壽命

目前的衛星都是“一次性使用”的產品，只能依靠發射升空時攜帶的“運行給養”維持一定的壽命。一旦燃料耗盡或發生嚴重故障，地面控制人員往往無計可施，只能眼看著它毀滅。而“自我維護與保養”和“相互維護與保養”能力，可以大大提升與延長在軌衛星的壽命。
美國擁有數量龐大的軍事衛星並高度依賴它。如若“軌道快車”項目所驗證的在軌補給技術趨於成熟，一旦重要的軍事衛星在戰時出現故障或燃料耗盡，美軍就可以通過在軌維修、加注燃料的方式使其重新投入戰鬥，如現有軍事衛星的偵察能力無法滿足戰爭要求，還可以通過更換部件實施在軌技術升級，最大限度的發揮軍事衛星的作戰能力。

快速進入並占據空間

“軌道快車”衛星的設計思路體現了在戰時根據需要迅速部署微小軍事衛星的作戰思想。小型的“軌道快車”衛星可以放在改裝後彈道飛彈的彈頭部位或者用火箭運載器發射。這些運載器成本低、可靠性高、發射準備時間短，能夠隨時大量向空間部署武器，滿足現代戰爭對於快速反應的作戰需要。