基于一站兩器的空間飛行器在軌服務與維護系統及方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于航天在軌服務技術領域，涉及一種可覆蓋高、中、低全軌道高度，能對在軌衛星提供維修維護服務的空間飛行器在軌服務與維護系統及相應的在軌服務與維護方法。
【背景技術】
[0002]受限于衛星部組件的壽命、燃料、運載能力、發射以及在軌運行環境等多個因素，衛星在從發射入軌、軌道轉移、初軌部署、按計劃運行，直至結束運行的全壽命過程中，在軌故障難以避免。在軌衛星故障中，一部分可以通過系統冗余備份或地面指令切換進行恢復，然而還有一些重大故障使得衛星性能嚴重下降或失效。對國內外故障衛星的統計分析表明，不可恢復故障衛星主要是由于控制與推進、供配電等分系統中某個設備故障引起，其他系統在軌功能正常，如果能夠對故障設備在軌維修或更換，則有可能恢復衛星功能。我國在軌運行衛星中，推進劑耗盡是造成衛星壽命終結的直接原因，這些衛星各分系統均完好，但燃料不足，無法進行軌道維持，嚴重影響了衛星正常執行在軌任務。如果可以對這些衛星進行在軌燃料加注，則可延續其在軌壽命。
[0003]另一方面，隨著人類航天活動的日益頻繁，空間碎片急劇增加，目前毫米級以上的空間碎片數以億計，大于10厘米已編目空間碎片超過17000個，GEO帶(GE0±200km)內僅廢棄衛星數量就已超過330顆。這些碎片與我國在軌衛星平均每天就會發生10次左右危險交會事件(碰撞概率大于I X 10_6或在距離Ikm范圍內交會)，已成為在軌衛星正常運行的嚴重威脅。如果可以對空間目標進行準確編目，并實施抓捕清理，則可以為衛星提供在軌安全運行的軌道環境。
[0004]在軌服務與維護是指在軌開展的延長衛星壽命、保證軌道空間安全、提升衛星任務能力的空間活動。空間飛行器在軌服務與維護系統對于保證在軌衛星穩定、可靠和高效工作有著重要作用，具有非常顯著的經濟和社會效益。
[0005]目前衛星在地面研制完成發射入軌后，在軌運行過程中僅能通過有限的地面軟件注入方式進行維護，可實現的維護手段單一，可獲得的維護效果有限。同時，對于威脅在軌衛星安全的空間碎片亦無有效手段進行清除。國內外在在軌服務方面，開展了一些單星技術驗證試驗，但尚未提出完整的在軌服務與維護整體系統，
[0006]要形成較為完整的在軌服務與維護體系，首先就需要提出空間飛行器在軌服務與維護系統的總體方案，構建常駐空間的大型在軌系統，并可由地面進行物資補給，實現對高、中、低軌的在軌衛星快速響應，執行在軌空間目標觀測、燃料加注、模塊更換、接管控制等服務與維護任務，并執行空間碎片抓捕清除任務。
[0007]目前國內外還沒有專門針對空間飛行器在軌服務與維護系統總體方案的公開文獻報道。
【發明內容】
[0008]本發明解決的技術問題是:解決目前衛星無法有效在軌服務與維護、空間碎片無法有效清除的問題，提出了一種由“一站兩器”構成的空間飛行器在軌服務與維護系統及相應的服務與維護方法，滿足對高、中、低在軌衛星的快速響應，執行服務與維護任務，以及對空間碎片抓捕清除的要求。
[0009]本發明的技術解決方案是:基于一站兩器的空間飛行器在軌服務與維護系統，包括共軌綜合服務站、高軌軌道間飛行器、中軌軌道間飛行器、低軌軌道間飛行器、天地往返重復使用飛行器，其中:
[0010]共軌綜合服務站:包括自由飛行機器人、控制艙、機電液氣一體化對接接口、中心桁架擴展級、太陽翼、電子艙、能源艙、中心桁架基礎級、艙段連接接口和物資艙；中心桁架基礎級和中心桁架擴展級固定連接構成完整的中心桁架，其中中心桁架基礎級為桁架式構型的單衛星平臺，推進艙集成在所述單衛星平臺內部，中心桁架擴展級為橫截面與所述單衛星平臺橫截面匹配的桁架式構型剛性結構，中心桁架擴展級的左側與中心桁架基礎級固連，中心桁架擴展級的右側安裝用于桁架擴展，高軌軌道間飛行器對接或者天地往返重復使用飛行器對接的機電液氣一體化對接接口 ；中心桁架擴展級的周圍設置用于艙段更換或者擴展的艙段連接接口，自由飛行機器人、控制艙、電子艙、能源艙、物資艙分別通過不同的艙段連接接口固定連接在中心桁架擴展級上，太陽翼通過SADA與能源艙連接；自由飛行機器人通過空間機械臂對高軌軌道間飛行器或者高軌道服務對象實施在軌服務與維護操作；控制艙內部設有用于在高軌軌道間飛行器接近過程中相對位姿測量的相對測量敏感器以及用于空間目標觀測的觀測相機；物資艙用于存儲低軌軌道間飛行器運輸來的在軌維修補給物資以及已使用的廢棄物資；
[0011]高軌軌道間飛行器:為包括服務艙、抓捕對接機構、機械臂、機電液氣一體化對接接口和艙段連接接口的衛星平臺，其中服務艙配置有用于對共軌綜合服務站以及高軌被服務對象進行相對位姿測量和近距離成像的相對測量敏感器，以及用于空間目標觀測的觀測相機；高軌軌道間飛行器通過機電液氣一體化對接接口與共軌綜合服務站對接，通過抓捕對接機構與被服務對象形成剛性連接，通過機械臂對高軌被服務對象實施在軌服務與維護操作；
[0012]中軌軌道間飛行器:與高軌軌道間飛行器的結構相同，并通過艙段連接接口攜帶一顆導航衛星形成組合體，當軌道上運行的導航衛星發生故障時，釋放所攜帶的導航衛星替代故障導航衛星，同時抓捕故障導航衛星并對其進行在軌修復；
[0013]低軌軌道間飛行器:與高軌軌道間飛行器的結構相同，當低軌道上的衛星發生故障時，通過艙段連接接口與故障低軌道衛星形成組合體并對故障衛星進行在軌修復；通過艙段連接接口與天地往返重復使用飛行器形成組合體，獲取地面運輸來的上行在軌維修補給物資，并通過艙段連接接口與中軌軌道間飛行器或者共軌綜合服務站形成組合體，將所述上行在軌維修補給物資轉運至中軌軌道間飛行器或者共軌綜合服務站，同時從中軌軌道間飛行器或者共軌綜合服務站獲取廢棄物資，并將所述廢棄物資轉運至天地往返重復使用飛行器；
[0014]天地往返重復使用飛行器:通過艙段連接接口與低軌軌道間飛行器進行對接形成組合體，重復性的將地面的上行在軌維修補給物資轉運至低軌軌道間飛行器，同時從低軌軌道間飛行器獲取廢棄物資并轉運至地面。
[0015]基于一站兩器的空間飛行器在軌服務與維護方法，包括如下步驟:
[0016](A)在GEO軌道面內部署共軌綜合服務站和高軌軌道間飛行器，其中高軌軌道間飛行器與共軌綜合服務站對接停泊，共軌綜合服務站與低軌軌道間飛行器進行對接并從低軌軌道間飛行器獲取上行在軌維修補給物資并存儲在物資艙；共軌綜合服務站對高軌軌道間飛行器進行在軌維護，并將在軌維護物資裝載至高軌軌道間飛行器，高軌軌道間飛行器通過姿態機動靠近高軌服務對象并與高軌服務對象對接形成組合體后對高軌服務對象進行在軌維護；
[0017](B)在中軌軌道面內部署中軌軌道間飛行器，中軌軌道間飛行器與低軌軌道間飛行器進行對接并從低軌軌道間飛行器獲取上行在軌維修補給物資；利用中軌軌道間飛行器所攜帶的導航衛星作為備份星，當軌道上運行的導航衛星發