包为民院士、于登云院士：《空间在轨服务系统导论》|于登云|包为民|卫星|科学家|空间在轨服务系统导论|航天器|飞行器

背景

早在20世纪60年代，航天领域就已提出“在轨服务”的初步概念。1962年，钱学森提出了“卫星式星际航行站”的设想，其中就包括了在轨组装等在轨服务技术的雏形。1973年，美国的航天员在“天空实验室”上利用太空行走技术进行了释放太阳帆板和展开临时太阳防护罩等维护操作，是在轨服务技术的第一次在轨验证。1993年，美国实施哈勃太空望远镜的首次在轨服务，通过安装光学矫正装置成功解决了主镜缺陷问题，鉴于其重大意义，NASA将其媲美于阿波罗计划的首次登月成功，此后哈勃太空望远镜又四次成功接受了在轨服务，确保其系统稳定运行至今，成功实现其“接力棒”传递给詹姆斯·韦伯太空望远镜的历史使命。国际上在轨服务的重要事件还包括1997年日本实施的ETS-VII任务、2007年美国“轨道快车”计划以及2020年美国实施的首次商业在轨服务MEV-1任务等。自20世纪80年代起，我国针对在轨服务技术开展了一系列研究。2016年，我国首次将空间在轨服务写入航天白皮书。目前，国内的在轨服务技术也已取得长足进步。

图1 诺格公司MEV-1在轨服务任务示意及其与901号通信卫星在轨对接状态

图2 计划于2024年发射的诺格公司MRV服务卫星及其推进增强模块（MEP装置）

当前，随着“太空经济”、“航班化运输”和“地月空间经济区”等全新航天理念逐步走向现实，空间在轨服务系统将为新型航天器系统开发及其支撑太空经济发展与升级提供新动能，对支撑航天器效能最大程度发挥、促进传统航天器研制和运行模式创新、推动航天技术发展与进步、引导大型空间系统发展以及催生航天新业态具有重要意义，正在成为各航天大国竞相抢占的制高点。

图3 地球轨道及地月EML1轨道在轨组装大型空间望远镜系统示意

图4 基于模块化在轨组装的火星多任务探测器任务设想

空间在轨服务系统有着传统航天器的一般特征，但由于其在传统航天器特征之外还须具备提供服务、接受服务、轨道运输及其他辅助功能，因此，又显著区别于传统航天器。空间在轨服务系统无论是从任务需求、系统体系以及技术体系等方面，都具有突出的体系特征。以在轨加注技术为例，接受加注的航天器需要具备可在轨加注的能力，提供加注服务的航天器则具有与加注目标极强的耦合特征，包括捕获对接、加注设计、管路密封与检漏、推进剂测量等，同时还需兼顾初始入轨参数、一次或多次加注任务设计以及全周期在轨服务任务规划等多个约束因素。因此，在了解在轨服务领域研究进展的基础上，有必要对在轨服务构建一个成体系的认知架构，以支撑空间在轨服务系统的顶层设计、工程任务规划以及系统开发与关键技术攻关。

《空间在轨服务系统导论》一书，作为在轨服务领域系统性、概括性与引导性的教学参考书，力求给读者展现在轨服务领域完整的体系架构以及各组成系统的概貌，从而促进我国空间在轨服务系统更好、更快发展。

内容简介

本书针对当前及未来亟须发展的航天器在轨服务方向，在阐明在轨服务的意义与内涵的基础上，介绍了在轨服务的体系架构，分析归纳了客户航天器、服务航天器、运输航天器、辅助支持系统以及服务机器人的基本组成、系统特点、典型应用以及相关的支撑技术，并从成本效益与模型工具等方面简述了在轨服务的经济性。最后，对在轨服务应用前景和技术发展趋势进行了展望。

本书作为航空宇航科学与技术学科的教学参考书，主要面向本科生、研究生以及希望了解在轨服务领域的同等学力者，也可供从事航天器系统设计的工程技术人员参考。

专家推荐

本书主要具有以下几个突出特点：

一是循序渐进。本书从常规的航天科技领域进展出发，借助易于理解的船舶系统补给维护，分析解读了在轨服务的内涵、探讨了在轨服务的重要意义以及各相关系统的基本定义，最后过渡到在轨服务各相关系统。这样能够以循序渐进的方式帮助读者自顶向下了解和认识在轨服务的基本情况以及相关的航天工程进展。

二是系统完整。本书从体系架构的角度出发，介绍了在轨服务的任务需求、系统体系以及技术体系，分别针对客户航天器、服务航天器、运输航天器、辅助支持系统以及服务机器人这一典型的有效载荷，阐述了各系统基本组成与特点，并借助典型案例帮助读者理解与分析。针对在轨服务经济性问题，本书同样进行了研究方法的总结介绍。此外，本书还从新概念系统与新技术应用两个方面对在轨服务未来发展进行了前瞻性预测与分析。

三是面向工程。本书内容翔实，从在轨服务系统总体、有效载荷以及平台各支撑系统的维度，梳理和阐明了各类系统开发过程中需要关注的主要内容。这些要点的总结与提炼，对于在轨服务领域发展与工程实施将起到良好的指导与参考作用。

陈小前

军事科学院副院长

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作者简介

包为民，中国科学院院士，国际宇航科学院院士，飞行器制导与控制专家，中国航天科技集团有限公司科技委主任。获“钱学森最高成就奖”，国家科技进步特等奖1项、一等奖1项，国家技术发明一等奖1项，国防科技进步一等奖2项、二等奖1项。

于登云，中国科学院院士，国际宇航科学院院士，空间飞行器系统工程、动力学与控制专家，中国探月工程（四期）总设计师，中国航天科技集团有限公司科技委副主任。获国家科技进步特等奖2项、一等奖1项、三等奖1项，部级科技进步一等奖2项，国防技术发明奖二等奖1项。

李伟杰，工学博士，研究员，航天五院总体设计部型号主任设计师，研究方向为在轨服务航天器及其结构机构技术。获国防科技进步二等奖等省部级奖3项，入选中国航天科技集团有限公司青年拔尖人才支持工程。

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