當前,服務航天器再次受到青睞,一如NASA研發的多任務模塊化航天器(MMS)和以服務思想設計研發的哈勃太空望遠鏡一樣。
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任務支撐服務,即使其軌道在100多萬千米之上。NASA還發布了信息征求,尋求既可服務小行星再定向任務(ARM),又可為近地軌道政府衛星補充燃料的航天器設計理念。
戈達德航天飛行中心衛星服務能力辦公室(SSCO)項目副主任雷德說40年一循環又開始了,SSCO負責研發所有哈勃望遠鏡的服務技術,目前正在研發并演示驗證下一代服務技術,包括在國際空間站開展演示驗證。他認為,NASA正走在通向未來之路。
今昔在軌服務對比
衛星服務并非新鮮事,迄今為止,庫卡機器人,美國已經五次維修哈勃望遠鏡;1984年,使用MMS服務衛星平臺對太陽峰年(SolarMax)探測器進行了維修。與過去不同,如今的衛星服務面向未來,所需技術要確保任務成功。機器人航天器可能與地面操作人員一道,共同執行各種操作,而不是宇航員使用自動化工具或其他專用工具執行操作,就像在近地軌道維修哈勃望遠鏡和太陽峰年探測器那樣。
SSCO工程師表示,戈達德已經知道如何為近地軌道衛星提供服務,現在正在研究近地軌道之外的服務,未來的旗艦任務,包括廣域紅外望遠鏡(WFIRST-AFTAT)和其他未來的天文臺都在更遠的軌道上運行。由于擔心在技術上不可能實現對拉格朗日L2點任務提供服務,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正在國際空間站進行機器人燃料加注(RRM)任務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,工業機器人維修,驗證未來機器人如何在太空服務衛星并為衛星加注燃料。
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、態勢感知照相機。借助這個機器人眼睛,任務操作者可以排除異常,庫卡機器人驅動器維修,研究微流星體的撞擊,并并執行遙控衛星維修工作。2015年早些時候NASA成功演示了VIPIR的能力。
在RRM第三階段,SSCO團隊計劃演示驗證氙氣的轉移,這是一種無色無味的高密度氣體,有望用于離子發動機中。
不過,RRM僅僅是SSCO服務未來工作中的一小部分。
ROSE與Restore
為了易于接受服務,無論衛星處于何種軌道,其自身必須設計成可接受維修。例如NASA的MMA服務衛星平臺采用模塊化設計,易于宇航員為出現故障的太陽峰年探測器更換新的姿控系統。哈勃望遠鏡采用的是部件級別的在軌維修,由于缺少模塊化設計,NASA幾乎要為每個部件和任務開發專用工具和程序。
SSCO要提高到一個新水平,模塊化設計是關鍵。SSCO正在開發用于科學探索的可重構運行航天器(ROSE)項目,目的是在MMS成果基礎上,開發一種低成本的服務航天器。SSCO的首要目標是在系統級別上提供的長期、經濟可負的服務能力,這就要求ROSE在執行中型任務時具有高度靈活性。SSCO將ROSE視為未來任務的探路者。
SSCO正在研發機器人服務航天器。過去幾年,SSCO實施了一項名為修復(Restore)的概念性任務,目的是在地球同步軌道和近地軌道為衛星加注燃料。
關鍵服務技術是用于NASA的小行星再定向任務(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,服務未來SEL2軌道的天文臺;另一個可以駐留在別的軌道用于執行其他服務任務,例如在太空裝配20米的分塊鏡片。