为轨道上的卫星加油和维修甚至变轨:NASA的“OSAM-1”任务详解

为轨道上的卫星加油和维修甚至变轨:NASA的“OSAM-1”任务详解

据悉,美国宇航局(NASA)正在计划一项任务,以展示其修复和升级地球轨道卫星的能力。这项任务被称为“OSAM-1”(在轨服务、组装和制造-1),届时 NASA 将发射一个机器人航天器,配备机器人手臂以及修复、加油或延长卫星寿命所需的所有工具和设备,即使这些卫星不是为在轨道上服务而设计的。

OSAM-1 的首次试飞计划不早于 2026 年发射,并将进入低地球轨道,与自 1999 年以来一直在轨的地球观测卫星 Landsat 7 会合、捕获和对接。该任务将进行首次加油示范测试,然后将卫星转移到新的轨道。虽然,该任务的某些部分是自主的,但人类远程操作员将从地球远程执行大部分程序和操作。

NASA 表示,修复卫星(而不是让失效的航天器在地球轨道上随意漂移)有助于减少空间碎片,为太空探索创造一个更可持续的未来。此外,测试飞行将评估轨道机器人组装和制造,许多人认为这是未来所需的技术,例如在我们太阳系的长期人类任务期间进行维护,以及构建和维护月球或火星轨道上的结构。

上图:OSAM-1 接近 Landsat 7 的概念图。

卫星维修航天器的最初想法是著名的美国宇航局工程师弗兰克·塞波里纳(Frank Cepollina)的创意,他有在轨道上维修航天器的历史。他带领团队负责规划和编排哈勃太空望远镜的五个维修任务。他帮助设计了宇航员用来成功修复和升级哈勃望远镜的专用工具和程序,使这台古老的望远镜比预期的运行时间更长,并允许在每次任务中安装更好的仪器和技术。在航天飞机时代早期,他还带领团队开发了修复其他卫星的技术。

弗兰克·塞波里纳曾表示:“对我来说,我们把卫星扔到轨道上是令人震惊的。但出于经济原因和科学利益考虑,我们似乎应该找到修复这些卫星的方法。我想找到一种方法来修复和升级这些卫星。

上图:戈达德机器人操作中心的弗兰克·塞波里纳。

现年85岁的弗兰克·塞波里纳最近才从美国宇航局退休,但他指导和培训了几代工程师,从未放弃过修理卫星的梦想。在几次服务任务的提议后,这个概念被正式承认为任务,并在NASA预算中获得了“项目”地位。但时,要想在2026年前发射,还有很多工作要做。

OSAM-1 服务有效载荷经理罗斯·亨利表示:“当你第一次做某件事时,会遇到很多新技术和新程序,你会遇到固有的障碍和挫折,我们也不例外。我们正在处理几个新系统,比如一个新的激光雷达(光探测和测距)系统,一个独特的推进剂传输系统和两个机器人手臂(其中一个用于冗余备份),可以使用11个独特的工具和适配器,每一个都作为任务的一部分,具备特定的目的。”

OSAM-1 首次试飞的主要目标是,为距离地球约705公里(440英里)的陆地卫星7号(Landsat 7)加油。但是,由于 Landsat 7 和许多卫星一样,从来没有打算维修甚至被再利用,所以 OSAM-1 航天器不能只是停靠在卫星旁边,接通燃料软管。

上图:由Maxar Technologies制造的OSAM-1航天器主体。

首先,OSAM-1 需要离 Landsat 7 足够近,使其中一个机械臂能够抓住 Landsat 7,然后使用卫星上原有的对接夹或马曼环进行对接操作。

OSAM-1 服务有效载荷经理罗斯·亨利解释说:“然后,我们还要做很多工作才能进入燃料补给环节。OSAM-1 的远程操作人员将不得不切开卫星的多层绝缘隔热覆盖物,并将其移开,以暴露出灌注阀 / 排泄阀。但是,在卫星发射前这些阀门是关闭的,并被锁线覆盖,所以我们必须用专门的剪刀把它们剪掉。此外,我们还将移除多余的安全帽。”

OSAM-1 将携带122公斤(270磅)燃料,计划使用机械臂和可伸缩软管系统将115公斤(250磅)燃料转移到陆地卫星7号(Landsat 7)。

当然,这一切都是在两艘宇宙飞船以约 26500 公里/小时(16500 英里/小时)的速度飞行时发生的。 OSAM-1 携带 6 个交会和近距离操作摄像机,用于接近 Landsat 7。另外 21 个摄像机是专用视觉传感器系统的一部分,允许远程操作员从各个角度查看操作,泛光灯提供照明,即使在轨道夜间也能继续工作,这种情况大约每50分钟发生一次。陆地卫星7号的轨道周期是99分钟。

上图:在马里兰州格林贝尔特的美国宇航局戈达德太空飞行中心的机器人操作中心进行地面演示。

NASA戈达德太空飞行中心的机器人操作中心,有一个专门的测试台,有黑色的、内衬窗帘的墙壁,这样当灯关闭时,它可以模拟太空中的黑暗。这允许使用 Landsat 7 和 OSAM-1 的全尺寸模型进行完全身临其境的培训。

此前,这项任务被称为 Restore-L,只专注于加油和维修。但在2019年2月,该任务增加了一个新的组成部分,称为空间基础设施灵巧机器人(SPIDER)。

罗斯·亨利解释道:“这增加了 OSAM-1 的‘组装和制造’部分。一旦我们完成陆地卫星7号,我们将释放它,然后进行组装和制造部分。”

上图:NASA 服务臂的工程设计单位将用于 OSAM-1 任务,位于 NASA 戈达德太空飞行中心的机器人操作中心。

SPIDER 包括它自己的 5 米(16 英尺)长的机械臂,使在 OSAM-1 上飞行的机械臂总数达到3个。 SPIDER 将组装一个功能齐全的 3 米(9 英尺)通信天线,该天线由带到太空的部件构成,并将通过地面站演示 Ka 波段传输。

SPIDER 还将制造一个 32 英尺(10 米)的轻型复合梁,以验证在轨道上建造大型航天器结构的能力。

所有系统、工具和技术的发展,都需要若干技术领域的投入。

OSAM-1 服务有效载荷经理罗斯·亨利说:“有很多非常专业的工程师与我们合作,他们知道这些东西,每天都在做。我们一些最独特的工程师是机器人专家,他们知道手臂是如何建造的,并且了解关节和机制的细微差别。例如,你可以摆什么姿势,不能摆什么姿势,或者如果肘部关节出现故障,他们知道如何仍然可以移动末端执行器和其他六个执行器。我们拥有一支非常优秀的员工队伍,多年来一直深入研究这项任务的技术部分。他们都是各自领域的佼佼者,我认为在国内甚至世界上都没有其他团队像他们一样。”

亨利说,寻找一颗合适的候选卫星作为这次演示任务的实验对象,花了几年的谈判时间,因为要求很具体,而且必须是一颗政府所有的卫星。

“我们需要一个政府机构,愿意让他们的卫星成为第一个展示这项技术的机构,”亨利说。“陆地卫星7号符合要求有很多原因。它在一个很容易进入的轨道上,就产生科学而言,它的任务寿命已经结束。陆地卫星9号已经发射并投入使用,所以它的继任者已经开始运行。”

陆地卫星7号(Landsat 7)正常的科学任务已于2022年4月6日结束,其主要科学仪器增强型专题制图仪 Plus (ETM+) 处于待机模式。但其 22 年的运营,提供了关于地球土地覆盖管理和评估、全球变化研究和制图的大量数据。

上图:由Landsat 7拍摄的伊朗的 Dasht-e Kevir 或称“大盐沙漠”。它是伊朗最大的沙漠。

目前,为 OSAM-1 提供资金和基线任务是“一次性的”,一旦它完成了维修、加油和任务的组装和制造部分,它将按计划脱离轨道并在地球大气层中燃烧。

亨利说:“话虽如此,但我们认识到我们正在驾驶一辆功能强大的飞行器,并且有可用的燃料,所以,有很多人希望看到我们在轨道上执行后续任务。但截至目前,还没有任何宣布或资助。”

OSAM-1 服务有效载荷经理罗斯·亨利最后表示,他很荣幸也很兴奋能领导这项工作,使弗兰克·塞波里纳的梦想成真,在轨道上拥有一辆真正的卫星服务“拖车”。 弗兰克·塞波里纳也有另一个梦想,即这些类似拖车的卫星舰队可以在太空中建造结构,不仅是栖息地,还包括能够直接成像遥远系外行星的大型太空望远镜。我们在组装和制造部分所展示的内容,正在为未来在寻找外星生命方面的进展奠定基础,并有望实现太阳系的殖民。几十年后,我认为你将能够追溯到 OSAM-1 是美国第一次在轨道上展示这些能力的任务。

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