在距我们这颗蓝色星球35786千米之外的赤道上空，有一条神奇轨道，因轨道周期与地球自转周期相同，被称作地球静止轨道（Geostationary Orbit，GEO）。存在于此的卫星（简称GEO卫星）相对于地面是静止的，且信号覆盖范围大（一颗卫星几乎可以覆盖整个半球），因此，与民生息息相关的通信、导航、气象卫星都会被火箭推送至此！但是因为特殊的位置、外部环境，管理者往往“鞭长莫及”，这些卫星一直面临着“缺医少药”的窘境！

    为了尽可能挽回GEO卫星故障或失效造成的损失，并有效保护GEO轨道资源，上海航天技术研究院上海宇航系统工程研究所作为国家国防科工局等上级领导部门首批支持的在轨服务技术抓总研究单位，在过去的三到四年间，利用总体优势，协调哈尔滨工业大学、上海空间推进研究所等单位，瞄准国外先进技术水平，正在研究和攻关以卫星维修，寿命延长，消耗品补给及轨道垃圾清除为目的的在轨服务技术。

    近期，上海宇航系统工程研究所成功完成国内首次在轨服务全流程地面试验！

    卫星的“抢修车”

    在全年恒温的模拟失重操作平台上，一颗“卫星”因为缺少推进剂和一个重要模块的损坏而丧失了功能。指挥官一声令下，一辆长和宽各约1米，高约1.5米的“无轮车”朝这颗“卫星”缓缓“飘”来，并与其进行交会对接。随后，浮动断接器插入卫星的连接管路，一段时间后，推进剂完成补加，并且一滴不漏。紧接着，机械手臂“优雅地”伸展开来，对待修卫星损坏模块进行识别，卸载，放回“车”内的储备层，再从“车厢”中找出备用模块，准确无误地在目标卫星上安装好！

    这一系列动作自动完成，如行云流水，一气呵成！在场的人都发出由衷的喝彩。实际上，这辆有着“高大上”功能的“小车”还只是试验品，一旦发展成熟，发射到太空中，被实际应用时，将有一个酷炫的名字——在轨服务飞行器，这就是在轨服务技术所催生的一种用于在轨服务任务的新概念智能航天器。

    在轨服务飞行器本质上也是一种卫星，特殊之处在于它的功能：为在轨航天器提供维护维修、部件组装、物资燃料补给、功能拓展等服务，以有效支持空间任务需求。因此，它集“医生”“维修工”“保姆”功能于一身，是卫星的“守护使者”！

    据悉，在轨服务技术可以提高航天器运行可靠性，降低总体研制运行成本；利用在轨维修代替整星替换，提高航天器研制效率；在轨制造组装技术实现航天器的优化设计；空间碎片移除、辅助离轨、在轨维修等商业应用；促进航天器研制变革；牵引带动多学科、新技术发展。

    “小车”由四大部分组成

    完成地面试验的“无轮车”也并非是一辆车或者一个卫星模型那么简单，而是一个模拟飞行器在太空中运行的“气浮式综合试验系统”。

    “在地面上利用固定支座导轨装置，开展以上操作都容易实现，但要在模拟太空失重环境的气浮台上，完成全套交会对接、推进剂补加和机械臂模块更换试验，获得成功，着实不易！”全程参与这一系统设计和建造的汤树人高级工程师介绍道，“就拿看似简单的自主交会对接为例，在轨服务飞行器需要对目标飞行器，进行自主位置姿态识别，随后进行近程、超近程逼近，直至在轨服务飞行器捕获目标飞行器完成对接；在此过程中需要完成两个飞行器由于速度姿态的不同，所具有能量的缓冲吸收。这在太空没有类似地面摩擦、大气阻力的情况下，就是一大技术难点，而我们的气浮式综合试验系统就能很好的模拟空间失重无摩擦环境，实现对相关关键产品的技术验证工作。”

    这个形似“小车”的在轨服务飞行器模拟器呈框架式结构，大体由结构机构、测控通讯、供配电和气浮推进四大部分组成。前三大部分，顾名思义是模拟将来的“在轨服务飞行器”的各项功能；而最后的气浮推进部分，则主要模拟飞行器在太空失重情况下的无摩擦运动。依靠“小车”上自带的压缩氮气，给“小车”下的四个圆形气足供气，从而气足与大理石平台之间形成薄薄的气膜，使得“小车”能够浮起来，同样依靠“小车”周围布置的一圈推进喷管往不同方向喷气，控制“小车”朝各个方向运动和刹车，从而实现“小车”近似失重状态的运动。

    整个在轨服务气浮式综合试验系统，花费近千万资金，历时3年才研制而成。它与国外同类气浮试验系统相比，具有平台活动空间大，承载力强等优点：有效气浮面积超过50平方米，有效载荷能力超过150千克，单次连续气浮试验时长超过30分钟，可在320W输出功率下持续工作超过1小时，是验证飞行器性能，提高空间在轨服务飞行试验一次成功率的有效方法，具有广阔的应用前景。上海航天技术研究院上海宇航系统工程研究所在轨服务地面综合试验系统的研制成功，为后续进一步开展在轨服务飞行试验奠定了扎实基础。

    中国在轨服务技术“未完待续”

    目前在GEO轨道运行的人造航天器系统面临着各种困境：比如难免故障而又基本无法维护。典型的例子如我国在2006年10月29日发射的鑫诺二号卫星，虽然成功进入轨道，且卫星的测控等系统均处于良好的状态，然而，由于太阳帆板未能展开，卫星无法正常工作，这颗耗资10余亿人民币、设计寿命为15年的卫星即成了一颗废星。

    再如卫星发射时可携带的消耗品，包括推进剂和电池等消耗品有限，这些物质一旦耗尽，航天器的寿命也将终结。此外，因为地球静止轨道高达约36000千米，大气阻力可以忽略，报废航天器形成的轨道垃圾会长期占据轨道位置难以清除，而理论上，这一轨道仅能容纳卫星1800颗。欧洲航天局2009年2月的报告指出，截至2008年底，已探明的GEO圈内物体大约1186个，其中仅381个处于控制状态。

    据国外对GEO卫星进行在轨维护效益分析，相比发射一颗新替代卫星，在轨维护与服务将带来5到6亿美元的直接收益，具有巨大的经济效益和价值。因此，从在轨维修，模块更换，燃料加注和在轨救援等在轨服务需求出发，各国都在争相开展相关技术的研究，为实施在轨服务提供技术解决方案。

    已有美国、俄罗斯、日本等国家进行了在轨服务的“实战”。1990年4月24日，哈勃太空望远镜随发现号航天飞机发射升空，由于制造的镜片厚度有误，首批传回地球的影像产生了严重的球差，十分模糊，对镜片进行了更换，此后，哈勃又因为设备的更新、维修和校正，多次接受由宇航员操作的在轨服务。最近一次是在2009年5月，宇航员更换了哈勃望远镜上的陀螺仪、电池和其他能够保证哈勃工作到2014年或2015年的设备。这得益于美国航天飞机技术的发展，这一可反复利用的载人航天器在目前的“人工”在轨服务中发挥着举足轻重的作用，已经承载着宇航员成功完成了20多年包括卫星回收、救援和维修的在轨服务操作。

    目前对在轨系统开展维护与服务往往离不开宇航员的直接参与，但在太空失重、高辐射等恶劣环境下，人的参与必定要增加生命保障系统的投入，大大提高了任务成本，而且风险过大，因此许多国家开始研究和构建自主式在轨服务系统：利用智能的在轨服务飞行器自主完成空间在轨服务任务。

    与国外相比，国内在2005年左右才开展比较多的在轨服务技术研究，起步较晚，好在我们正在迎头赶上：“十五”期间，我国开展了空间实验室在轨维修技术、在轨维修加注技术、在轨支援与投送技术等概念的研究；“十一五”开始，国内相关单位联合开展了对在轨服务的设计、仿真模拟技术与验证评估手段的研究；如今，正处在“十二五”期间，上海宇航系统工程研究所在轨服务地面综合试验系统研制及其全流程地面试验的成功，表明我国已经具备开展在轨服务飞行演示验证的能力。

    至此，中国在轨服务技术“未完待续”，我们期待“精彩继续”。