歷史首次,私人衞星在軌對接衞星提供「續命」服務

愛範兒 於 29/02/2020 發表 收藏文章
2020 年 2 月 5 日,全球航空航天巨頭諾斯羅普·格魯曼的 MEV-1「Mission Extension Vehicle-1」衞星在地球同步軌道上方 180 英里的地方找到 Intelsat 的 IS-901 通信衞星。

經過準確的定位與測試,MEV-1 於 2020 年 2 月 25 日美國東部時間 02:15(UTC 時間 07:15)與 Intelsat 901 完成了對接。拉開了商用衞星對接的時代的巨幕。


▲ MEV-1 與 Intelsat 901 對接

商用衞星為什麼要在地球同步軌道對接?

相信不少人看到這個消息後都一臉茫然,地球同步軌道是什麼?為什麼要在那裏對接?衞星之間怎麼對接的?別急,我來為你梳理一下。


我們知道,只要一個物體水平方向速度達到 7.9 km/s 的第一宇宙速度,就能環繞地球飛行。因為不同的用途,這些衞星的軌道有高有低,之前人類只在 300km 到 200km 的近地軌道,用裝有標準對接口的載人飛船或者空間站進行對接。


▲ 衞星軌道圖示 圖片來自:Wiki

與載人飛船不同,通訊衞星工作在距離地球 35900km 的地球同步軌道中,以保證繞飛速度與地球自轉相同。因為其他行星引力和太陽風的原因,同步軌道衞星需要耗費推進劑定位軌道。也就是説,推進劑消耗完畢的那一天,就是衞星失效的那一天。


▲ 同步軌道,又稱地球靜止軌道  圖片來自:Wiki

通常情況下,同步軌道衞星壽命在 10 年到 15 年之間,推進劑將要耗盡時,衞星會將軌道抬高 300 公里,進入廢棄衞星軌道。如果不考慮衞星軌道推進劑問題,大部分衞星在進入廢棄軌道時仍能正常工作。


▲ 被人造物環繞的地球

如果為這些衞星提供動力和控制能力,它們仍然可以繼續服役。這就是 MEV 系列衞星存在的理由。

MEV-1 是如何與通信衞星對接的?

載人飛船和空間站之所以能對接,是因為雙方都有設計好的對接機構,對接時能相互捕獲,吸收衝擊能量後鎖定位置。


▲ 神州十一號與天宮二號對接

而通信衞星並沒有設計這樣的對接機構,之前的通信衞星在設計時就沒想過要與其他航天器進行對接,當然就不會將沉重的對接機構裝在衞星上了。但這不代表沒辦法進行對接。


▲ 可以清晰的看到對接環

美國的航天飛機在設計時就有考慮到捕獲回收外太空的衞星,所以裝了個機械臂,可以用抓手捕獲衞星,這是方法一。


▲ 航天飛機維修衞星

還有另一種方法,也就是 MEV-1 採用的方法,將一根探針從被捕獲衞星的推進噴管處插入,並穿過噴管最狹窄的部分,並在其中部署張開的「手指」。


▲ MEV-1 將探針插入廢棄衞星噴口中

這就好像裝修時在牆上打一個「膨脹螺絲」,先將膨脹螺紋放入鑽孔中,在將釘子打入,讓膨脹螺紋與鑽孔壁卡住。

這些動作相當於完成了對接機構的捕獲功能,MEV-1 衞星在對接部位還有三根支柱。MEV-1 衞星將探針向後拉,就可以將目標衞星固定在這三根支柱上,完成對接結構的鎖定工作。


▲ 對接過程

我們之前已經提到,大部分同步軌道的通訊衞星之所以失效,不是衞星設備損壞。而是缺少推進劑,無法維持正確的軌道和正確的姿態。MEV-1 在對接後就替代了失效衞星的發動機和姿態維持系統。


▲ 形成組合體

它將重新把衞星帶回工作軌道,並用自身的姿態控制系統穩定衞星姿態。形象的説,就是給沒油的衞星加了一個「拖車」,拖着衞星跑。

這次 MEV-1 與 Intelsat 901 衞星對接後,將推動其回到同步軌道的工作位置,並繼續服役 5 年,在 5 年服役任務後,MEV-1 將再次把 Intelsat 901 衞星送回「墳墓」軌道,解除對接後為新的航天器提供軌道壽命延長服務。


可能你會問,在一次任務週期後,MEV-1 的推進劑還夠麼?MEV-1 採用了兩組比衝「代表太空推進的效率」超高的電推進器,可以用電磁場對推進劑加速,可以用較少的推進劑長時間推動衞星,雖然不能推動火箭上天,但改變軌道還是綽綽有餘的。


▲ 離子推進器 圖片來自:Wiki

MEV-1 的出現代表着什麼?

一顆在地球同步軌道運行的衞星往往十分昂貴,不僅是因為衞星上搭載了精密通訊設備和精密儀器,也是因為同步軌道需要更大的火箭,發射成本也比低軌高得多。

對於這些高成本,高使用價值衞星來説,多工作一年,就能獲得更多的收益。但推進劑總有耗完的一天,如果能用其他辦法延長衞星的使用壽命,人類不但能減少同步衞星的更換頻率、提高單顆衞星的收益率,也能避免衞星在軌道失效,成為太空垃圾。


▲ 回收舊衞星成為可能

這次對接,是人類第一次用兩顆商業衞星在同步軌道進行對接,是太空運輸服務和太空垃圾處理的里程碑事件。

未來,還會有更多被埋葬在「墳墓」軌道里的衞星死而復生,為人類帶來更高的價值。


資料來源:愛範兒(ifanr)

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