历史首次,私人卫星在轨对接卫星提供「续命」服务

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02-28 17:00

2020 年 2 月 5 日,全球航空航天巨头诺斯罗普·格鲁曼的 MEV-1「Mission Extension Vehicle-1」卫星在地球同步轨道上方 180 英里的地方找到 Intelsat 的 IS-901 通信卫星。

经过准确的定位与测试,MEV-1 于 2020 年 2 月 25 日美国东部时间 02:15(UTC 时间 07:15)与 Intelsat 901 完成了对接。拉开了商用卫星对接的时代的巨幕。

MEV-1 与 Intelsat 901 对接

商用卫星为什么要在地球同步轨道对接?

相信不少人看到这个消息后都一脸茫然,地球同步轨道是什么?为什么要在那里对接?卫星之间怎么对接的?别急,我来为你梳理一下。

我们知道,只要一个物体水平方向速度达到 7.9 km/s 的第一宇宙速度,就能环绕地球飞行。因为不同的用途,这些卫星的轨道有高有低,之前人类只在 300km 到 200km 的近地轨道,用装有标准对接口的载人飞船或者空间站进行对接。

▲ 卫星轨道图示 图片来自:Wiki

与载人飞船不同,通讯卫星工作在距离地球 35900km 的地球同步轨道中,以保证绕飞速度与地球自转相同。因为其他行星引力和太阳风的原因,同步轨道卫星需要耗费推进剂定位轨道。也就是说,推进剂消耗完毕的那一天,就是卫星失效的那一天。

▲ 同步轨道,又称地球静止轨道  图片来自:Wiki

通常情况下,同步轨道卫星寿命在 10 年到 15 年之间,推进剂将要耗尽时,卫星会将轨道抬高 300 公里,进入废弃卫星轨道。如果不考虑卫星轨道推进剂问题,大部分卫星在进入废弃轨道时仍能正常工作。

▲ 被人造物环绕的地球

如果为这些卫星提供动力和控制能力,它们仍然可以继续服役。这就是 MEV 系列卫星存在的理由。

MEV-1 是如何与通信卫星对接的?

载人飞船和空间站之所以能对接,是因为双方都有设计好的对接机构,对接时能相互捕获,吸收冲击能量后锁定位置。

▲ 神州十一号与天宫二号对接

而通信卫星并没有设计这样的对接机构,之前的通信卫星在设计时就没想过要与其他航天器进行对接,当然就不会将沉重的对接机构装在卫星上了。但这不代表没办法进行对接。

▲ 可以清晰的看到对接环

美国的航天飞机在设计时就有考虑到捕获回收外太空的卫星,所以装了个机械臂,可以用抓手捕获卫星,这是方法一。

▲ 航天飞机维修卫星

还有另一种方法,也就是 MEV-1 采用的方法,将一根探针从被捕获卫星的推进喷管处插入,并穿过喷管最狭窄的部分,并在其中部署张开的「手指」。

MEV-1 将探针插入废弃卫星喷口中

这就好像装修时在墙上打一个「膨胀螺丝」,先将膨胀螺纹放入钻孔中,在将钉子打入,让膨胀螺纹与钻孔壁卡住。

这些动作相当于完成了对接机构的捕获功能,MEV-1 卫星在对接部位还有三根支柱。MEV-1 卫星将探针向后拉,就可以将目标卫星固定在这三根支柱上,完成对接结构的锁定工作。

▲ 对接过程

我们之前已经提到,大部分同步轨道的通讯卫星之所以失效,不是卫星设备损坏。而是缺少推进剂,无法维持正确的轨道和正确的姿态。MEV-1 在对接后就替代了失效卫星的发动机和姿态维持系统。

▲ 形成组合体

它将重新把卫星带回工作轨道,并用自身的姿态控制系统稳定卫星姿态。形象的说,就是给没油的卫星加了一个「拖车」,拖着卫星跑。

这次 MEV-1 与 Intelsat 901 卫星对接后,将推动其回到同步轨道的工作位置,并继续服役 5 年,在 5 年服役任务后,MEV-1 将再次把 Intelsat 901 卫星送回「坟墓」轨道,解除对接后为新的航天器提供轨道寿命延长服务。

可能你会问,在一次任务周期后,MEV-1 的推进剂还够么?MEV-1 采用了两组比冲「代表太空推进的效率」超高的电推进器,可以用电磁场对推进剂加速,可以用较少的推进剂长时间推动卫星,虽然不能推动火箭上天,但改变轨道还是绰绰有余的。

▲ 离子推进器 图片来自:Wiki

MEV-1 的出现代表着什么?

一颗在地球同步轨道运行的卫星往往十分昂贵,不仅是因为卫星上搭载了精密通讯设备和精密仪器,也是因为同步轨道需要更大的火箭,发射成本也比低轨高得多。

对于这些高成本,高使用价值卫星来说,多工作一年,就能获得更多的收益。但推进剂总有耗完的一天,如果能用其他办法延长卫星的使用寿命,人类不但能减少同步卫星的更换频率、提高单颗卫星的收益率,也能避免卫星在轨道失效,成为太空垃圾。

▲ 回收旧卫星成为可能

这次对接,是人类第一次用两颗商业卫星在同步轨道进行对接,是太空运输服务和太空垃圾处理的里程碑事件。

未来,还会有更多被埋葬在「坟墓」轨道里的卫星死而复生,为人类带来更高的价值。

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