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在轨维修:航天器也遇“看病难”之惑?

发布时间:2016-04-13 20:50   浏览 1991 次

日前,俄罗斯列舍特涅夫信息卫星系统公司宣布,在轨运行的3颗格洛纳斯-M导航卫星均出现故障,科研人员正在对故障进行紧急处理。

众所周知,卫星等航天器在太空中一旦“生病”,地面科研人员往往有鞭长莫及、爱莫能助的无力感。因此,航天界的传统做法是尽量提高航天器的可靠性,并携带多个备份设备,一旦坏掉一个就换用另外一个。今天要讨论的是,航天器“生病”后,该不该“治”?如何“治”?谁来“治”?

修或不修,这是个问题

任何一件产品能不能修的前提,是要讨论它到底值不值得修。从传统意义上说,一次性使用的东西是无需修理的,原因是修理费用接近于换新的费用。

这个道理对于在轨航天器也同样适用。因此,多年来,在这个问题上航天领域始终存在两大“阵营”——“修”和“不修”。

我们必须认清这样一个现实:在太空中的航天器一旦发生故障,无论是派机器人上去修理还是直接送航天员上天进行维修,其发射费用都是一笔高昂的开支。尤其是送航天员去太空进行维修工作的费用比数颗卫星的总造价还要高。因此,在航天史上,只有涉及极其高价值的航天器,或是涉及人身安全时,科研人员才会考虑对航天器进行在轨维修。哈勃太空望远镜和国际空间站都曾“享受”过在轨维修这项“高端”服务。

比如,哈勃太空望远镜发射升空后,科研人员发现,由于其镜片加工的误差比较大,导致它成了“近视眼”而影响工作。1993年12月,奋进号航天飞机带着新磨制的镜片进入太空接近哈勃太空望远镜,航天员换掉了有误差的镜片使其恢复了“视力”。此后,美国宇航局多次派遣航天飞机靠近哈勃望远镜,为它执行设备升级等任务。

同样,国际空间站在运行过程中,曾遭遇过微流星体“袭击”太阳帆板,航天员也对其进行了在轨维修。

然而,对于其他的航天器来说,科研人员一般会采取应急发射或者启动在轨备份的方法来替代在轨维修。例如,银河5号通信卫星失效时,作为运营商的泛美卫星公司就把原来由银河5号卫星承担的一些中心任务转移到了其他的通信卫星上。

谁来担当“修理工”

即便如此,科研人员也一直没有放弃对航天器在轨维修的努力。他们在想方设法找到一种成本低、速度快、使用方便的新技术来实现修复的效果。

其实,这种维修已经远远超过了简单“缝缝补补”的范畴,而是航天器的综合服务。

早在上世纪90年代,美国波音公司就在国防高级研究计划局的项目中,提出过“轨道快车”项目。与此同时,加拿大一家公司也提出过在轨服务机器人的概念。不过,这两个项目提出的初衷并不是为了航天器的在轨维修,而是为了给在轨航天器补充燃料,让它们能工作得更久一些。

其中,加拿大这家公司的方案对外披露的细节是这样的:一个机器人带着燃料箱和发动机进入太空,找到那些原料已经耗尽的航天器,进行“能量补充”。这样一来,这个原本“精疲力尽”的航天器又可以继续工作。

这对于航天器的拥有者来说是个好消息,因为机器人的价钱要比很多像卫星这样的航天器便宜。但是,航天器制造商们显然对这个方案喜欢不起来。美国国防高级研究计划局“相中”了这个技术。他们的想法是让机器人把退役航天器上有用的零件,安装到新的航天器上继续使用。这种听上去有点像“器官移植”的概念,有待科研人员进一步探索。

当然,机器人在太空中维修航天器,不可能像当初航天员维修哈勃太空望远镜那样精细。

目前,世界上最先进的机器人,也不可能与航天员的大脑和双手媲美。因此,这种在轨维修技术需要航天器在设计之初,就要采取插件式的结构,一旦航天器的某个部件坏了,科研人员可以让机器人带着新的部件去替换。

这笔账该如何算

虽然,航天器的在轨维修概念从提出到现在已经数年,但依然还停留在纸面上,其中最主要的原因还是成本问题。

让我们粗略算这样一笔账:航天活动的主要费用之一是发射服务费。以一颗通信卫星为例,在它从制造到入轨的费用中,发射费少则占总投入的1/6,多则占1/4以上。显然,临时发射机器人前往太空为这颗卫星“治病”是得不偿失的。

事实上,在轨部署一个维修机器人是一项巨大的工程。因为,这个机器人不但需要具有强大的修理能力,还要携带足够的配件。同时,为了修理位于不同轨道上的航天器,它还要具备强大的在轨动能力。这些要求,无疑又推高了制造机器人的成本。即便撇开成本问题不谈,对于在轨服务机器人的应用,人们也存在这样一种担心:拥有在轨维修能力的机器人,同样也具备进攻一个航天器的能力。维修和破坏只在一念间。

不过,随着商业载人航天活动的开展,航天器在轨修理和维护的前景还是光明的。因为载人航天器的价值比较高,而且不是可以随便放弃的,所以修理的需求会大量涌现,这也势必会推动航天器在轨维护和修理技术的大幅度提升。

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