月3日，经过多次推迟后，一款代号为“连接”的特殊机器人由飞马座XL空射火箭送入预定轨道，标志着一项紧急太空救援任务正式启动。机器人对接“雨燕”效果图原来，尼尔·格雷尔斯·斯威夫特（又称“雨燕”）天文台的轨道高度不断下坠，很可能在今年底再入大气层烧毁，令天文学家心急如焚。而“连接”则是一款自带机械臂的机器人，将尝试帮助“雨燕”服役更久。那么，这个特殊机器人到底打算怎样拯救空间天文台？“雨燕”紧急呼救雨燕天文台自2004年发射升空后，长期运行在高度600公里、倾角20度的地球轨道上。它密切关注着伽马射线暴、黑洞等宇宙奇观，能够快速捕获宇宙高能射线爆发事件，在美国众多先进空间天文台、天文卫星中颇有独特优势，令天文学家受益匪浅。然而，随着岁月流逝，高层大气阻力迫使自身无动力装置的“雨燕”运行越来越困难，轨道逐渐降低。特别是2023～2025年太阳非常“活跃”，高速高能粒子频繁袭击地球，造成近地轨道上的高层大气密度增大，迫使“雨燕”加速坠落，目前运行高度仅300多公里。如果航天团队不及时抢救，“雨燕”将在今年底或明年初告别人类。其实，“雨燕”自身状态相当不错，美国宇航局不希望轻易失去它。2025年9月，美国宇航局授予催化剂航天技术公司价值3000万美元的合同，要求这家在轨服务公司研制400多公斤重的特殊机器人，将重约1.5吨的“雨燕”重新“推”回原工作轨道。完成这项任务可不容易，如何将这个机器人精准地送入目标轨道，就是不大不小的麻烦。飞马座XL空射火箭飞行一方面，当前美国航天发射的绝对主力猎鹰9火箭供不应求，发射订单已经排到了2027年，对外报价也一再上涨，难以满足抢救“雨燕”的紧迫要求。于是，美国宇航局被迫选择“插队”发射更灵活的小火箭。另一方面，“雨燕”运行轨道倾角20度，而机器人如果选择从北纬28度的卡纳拉维拉尔角由常规的小火箭发射，就会“天然”拥有28度轨道倾角。考虑到常规的小火箭普遍很难在轨多次点火，那么机器人就要自行尝试变轨，难免会过多消耗推进剂，给后续任务增加风险。因此，美国宇航局最终决定付出一定的经济代价，选择让现存最后一枚飞马座XL空射火箭“发挥余热”。借助载机飞行，飞马座XL空射火箭可以灵活地选择发射位置纬度，优化轨道倾角，帮助机器人入轨后更加便利地接近“雨燕”。这次发射任务后，供应厂商表示，如果有订单，飞马座XL空射火箭还可以继续生产。入轨后，“连接”需要在轨完成自检，重点确定3部氙工质离子推进器、导航系统和交会近距操作传感器等一切正常。随后，依靠两片6米长的太阳翼供电，它会逐渐接近“雨燕”，开展绕飞观测，详细检查“雨燕”的状态，尝试用机械臂完成对接捕获。最后，这个机器人将全力启动推进系统，预计会耗时数月，推着“雨燕”返回600公里高度的工作轨道。“奇迹”背后很费心近年来，美国重大航天任务普遍一再推迟。这次挽救“雨燕”的开创性任务如果顺利完成，将是美国航天近年来不寻常的高效率“奇迹”。在这背后，少不了航天工程方案优化和先进技术来帮忙。首先，科研人员分析认为，“连接”与“雨燕”交会对接的轨道高度必须在300公里以上，才能确保足够安全。根据推算，今年11月初，“雨燕”的轨道高度就会低于300公里。再考虑到“连接”在轨自检、接近观测“雨燕”、交会对接等消耗的时间，发射窗口其实已经相当紧张了。换句话说，救援机器人飞天后，恐怕不会是“悠闲之旅”。机器人被装入飞马座XL空射火箭整流罩内其次，美国宇航局没有“干等着”催化剂航天技术公司研发救援机器人，而是及时调整“雨燕”的工作状态，为救援行动尽可能创造更多机会。2月11日，科研人员关闭了“雨燕”的紫外/光学望远镜和X射线望远镜，4月7日又停用了突发警报望远镜。在正常工作状态下，“雨燕”利用伽马射线暴告警望远镜察觉蛛丝马迹后，会迅速转向，将这些主载荷对准目标。但这会导致“雨燕”的迎风面积增大，也就是承受更大的高层大气阻力，加速坠落。另一招是，科研人员努力将“雨燕”控制在最低阻力状态，尽可能延缓其下坠，尽量缩小它的迎风面积，包括调整太阳翼角度，使迎风面积从19.6平方米下降到6.6平方米。在紧迫的进度要求下，“连接”的研制团队需要重点解决一个难题：“雨燕”设计上没考虑过在轨对接，甚至没安装用于稳定“来客”姿态的对接环，那么“连接”要怎样安全、精准、快捷地完成对接工作呢？利用美国宇航局提供的“雨燕”纸质设计文件，救援机器人研制团队提出了一个兼顾效率和稳妥的方案：借助6台光学/激光雷达传感器，这个机器人将逐步安全地接近“雨燕”，在绕飞中详细观测，确定开展对接的有利时机；接下来，3部机械臂将从不同角度伸出来，捕获“雨燕”的不同部位；为提高成功率，对接模式设有多重备份，理论上，只要有1部机械臂锁定“雨燕”，就可以继续推进任务。为太空蓝海“打样”所谓在轨服务，就是部署特殊航天器即机器人，“照料”目标航天器，具体内容包括状态检测、维护修理、“太空加油”、调整轨道等。将来，业务范围还有可能拓展到清理太空碎片、辅助退役航天器无害化离轨等。“连接”的特色是遵循商业航天快速开发模式，流程更加精简高效，如果最终能拯救价值数亿美元的“雨燕”，就表明价格更低廉的商业航天器有潜力在广阔空间内持续机动，捕获原本没考虑配合在轨对接的“非合作目标”，有望在需求旺盛的军民两用快速响应市场中斩获更多订单。机器人救援空间天文台效果图比如，今年催化剂航天技术公司获得了美国太空军价值190万美元的创新技术合同，目标是延长军用航天器的使用寿命，或者为更复杂的空间望远镜提供在轨服务。从这个角度来看，“连接”是为未来更复杂的在轨服务任务“打样”，争取排除风险隐患。明年，催化剂航天技术公司计划委托欧洲的阿里安6火箭部署像是“工作狂魔”的新一代在轨服务航天器。该航天器将进入静地轨道，与一颗美国军用卫星演示近距离交会操作，为后者安装一部空间态势感知载荷，准备监视更多在轨目标。随后，该航天器会调整轨道，持续为商业卫星提供多样化服务。再比如，美国商业火箭一再刷新快速响应发射耗时最短的纪录，未来与快速变轨、灵活捕获能力更佳的在轨服务机器人“强强联手”，理论上可以大幅压缩紧急任务的航天器制造和发射流程，创造特殊价值。未来，在轨服务业务领域甚至会拓展到深空。美国南希·格蕾丝·罗曼空间望远镜计划于今年8月底发射，将部署在距离地球150万公里的日地拉格朗日L2点附近，特意设计了机械臂捕获接口，以便后续维护升级。事实上，随着技术进步，新一代大型高价值航天器的设计寿命越来越长，距离地球越来越远，承担任务越来越复杂，科研人员也会越来越舍不得它们早早退役。因此，为航天器检测、“加油”、维修、“增配”等在轨服务市场注定会是一片广阔的“蓝海”。
本文转载自微信公众号：航空知识
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