科 技 动 态

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国际空间站造福人类之小卫星技术

国际空间站（ISS）提供了一个独特的平台，允许小卫星通过日本实验舱（JEM）的气闸舱配合机

械臂进入低地球轨道（LEO）工作。这个小气闸舱，允许一些小型的设备，例如CubeSats从环境相对

舒适的压力舱进入太空到达指定的低地球轨道。这一气闸舱的设计可以降低小卫星的运营成本，特别

是在卫星开发企业进行过多次发射测试后和在复杂需求的基础上减少费用。成本降低了，让小企业能

够在更多经济利益的基础上开发新技术，并在太空中验证技术。

从国际空间站中部署小卫星

传统的卫星需要复杂的系统。通常，它们需

要有专门的运载火箭资源才能找到进入轨道的方

式。但是，由于人类进入空间新技术的发展，通过

ISS的协助，一类新的小卫星正在改变这种模式。

CubeSats是一种小于50cm、大部分是10cm左右（4

英寸）大小的卫星，可用另外一种方式进行部署。

部分CubeSats使用机械臂从ISS送入轨道。卫星被放

置在软袋中，通过货运飞船例如日本的H-II转移飞

行器（HTV）运送到ISS上。然后在一段时间后，

将卫星从ISS里取出来，日本实验舱（JEM）机器

人机械臂系统（JEMRMS）随后按照预定轨道对准

卫星，最后释放卫星进入太空。JEM小卫星轨道部

署器（JEM Small Satellite Orbital Deployer）是由

JAXA开发的供小卫星使用的发射系统。

过去，小卫星通过火箭发射。当火箭可以发射

除了主卫星之外的额外重量时，可再搭载一个不多

于这一额外重量的小卫星，在主卫星顺利部署后再

发射该小卫星。而使用机械臂从ISS中发射卫星相

对于利用搭载火箭的方式进入太空来说，优点颇

多，一是可在不影响主卫星发射时机的情况下自由

选择小卫星的最佳发射时机。同时，火箭内能提供

给小卫星的空间非常有限，而ISS因为有定期的货

运补给飞船，因此小卫星更能随时被送入太空。

任何卫星都必须通过空间环境测试，确认该卫

星在太空中长期飞行能够适应恶劣环境。其中，振

动试验可以模拟发射期间的振动，并用严格的扰动

水平来模拟。搭载卫星方式必须通过这一测试，因

为它们都安装在主卫星的相同区域。相比之下，从

ISS中部署的卫星搭载在货运飞船内，被保存在一

个软包里，并用缓冲材料包装再发射到ISS。卫星

飞行期间经历的振动水平要低于搭载卫星方式所经

历的振动水平。

对于小卫星的开发人员，振动条件是可以放宽

的，因为这些开发人员（如大学生）是支付不起昂

贵的航天级电子部件费用来通过振动试验的。

图 1 日本实验舱部署小卫星

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ISS部署Cubesats卫星的另外一个好处是，在

CubeSat发射到太空以后，航天员在轨可以对硬件

进行质量检查，确保小卫星在部署到太空之前不被

损坏。对于那些部署自由飞行卫星来说，其中的一

个困难就是，一旦这些卫星发射出去，它们是否在

经历发射的振动后仍能保持良好的工作状态是不确

定的。通过ISS的部署，我们仍有机会在卫星部署

之前去进行系统检查和干预。此举可让设计人员选

择电子部件不参加传统的空间评估，从而降低开发

成本，加快新技术开发。

为了利用JEMRMS将小卫星发射到预定轨道

上，我们首先使用ISS货运飞船将卫星放入货物中

转袋中。之后，卫星被放在ISS货舱内的货物中转

袋中。在完成对卫星的最后检查后，工作人员将小

卫星安装在JEM的小卫星轨道部署器上，然后再装

到JEM的气闸工作台上。随后，在气闸舱密封后，

打开，让气闸工作台滑出ISS舱。JEMRMS靠近气

闸工作台并抓住卫星弹射器。接下来，JEMRMS

把卫星移动到弹射器内就位，准备部署送入轨道。

JEMRMS保持特定的姿态，瞄准卫星的轨道。最

后，地面操作人员向弹射器发送指令，释放卫星。

综上所述，使用JEM进行卫星部署这一新方法

的引进，使得小卫星在近地轨道上部署获得了更多

的机会，降低了振动试验要求，并为小卫星在使用

前提供了最后一次检查的机会。

正是因为有了ISS这一优势，小卫星的潜在开

发商增加了利用ISS进行部署的频次，一些大学、

公司和其他非传统空间的用户也发现他们能够担负

得起进入空间的费用。

时间与地点的精确定位

得益于ISS的技术，丢失手机和约会迟到可能

会成为过去。全球传输服务2（GTS-2）实验证明，

无线电传输可以用来同步地球上的钟表，最终找到

丢失的车辆，并直接从太空中冻结失窃的信用卡。

目前 I S S 上的天线可以传输协调世界时

（UTC）（也称为格林威治标准时间）。这些传输

覆盖到几乎整个地球，并且可以每天在特定位置多

次接收。该信号甚至强大到足以被小小的手表收

到，即使考虑到夏令时间，也可以为不同时区传输

精确的本地时间。每个地面接收器都有一个独特的

代码，来验证数据的真实性，并保证其传输的安全

性。钟表可以每天通过接受器的激活或启动来实现

图 2 小卫星存储在中转袋中

图 4 FITSA，ISS部署的一个小卫星

图 3 ISS航天员将小卫星安装到气闸工作台上

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与它们的自动同步。

GTS可以通过发送信号到电子设备（诸如电

话、汽车或汽车钥匙）接收器芯片来关闭该设备，

充当防盗保护。甚至人们用钥匙也没办法偷到车，

因为GTS信号使得车锁呈现不可用状态。这样做可

以减少直接从驾驶人员身边偷窃汽车钥匙。

该系统还能够通过查明其确切位置，帮助防止

盗窃更大物件，例如集装箱和卡车拖车。

除了精确设置时钟和盗窃防护，该系统的其他

应用还包括寻呼服务、针对性的消息广播服务，例

如汽车召回、各种设备、车辆跟踪和车队管理服务

的远程控制。

该系统的地面接收器能够在信号传输的基础上

对ISS的位置进行精确定位。这种功能可以反过来

用于从ISS中进行接收器的定位，未来轨道航天器

图 5 潜在的GTS接收端

还可导航地面车辆。

利用ISS进行全球传输应用具有优于使用其它

卫星的优点。由于ISS处于低轨道，北纬70°和南

纬70°之间每一个位置都是地球上人口密集地区，

能够每天有5~7次信号接收。信号传输只需非常小

的功率。最后，由于ISS长期有人驻留，航天员可

以根据需要来维护设备。

G T S的实验由富通瑞士手表公司、德宇航

（D L R）和欧空局（E S A）提供赞助支持。

Steinbeis Transfer-zentrum Raumfahrt负责实验管

理、开发和运行。天线单元于1998年12月安装在俄

罗斯舱内，在2000年夏进入太空，2002年开始运

作，成为ISS上最古老的一个实验。GTS的集成、

发射和运行现在是由俄罗斯应用数学研究所通过俄

罗斯联邦航天局（(Roscosmos）与ESA的联合空间

站研究与实验计划合作展开的。实验将一直持续到

2020年。

空间站技术展示将开启卫星服务的新时代

机器人加注燃料任务（RRM），目的是证明机

器人可以采用更为智能的方式为卫星加注燃料。在

该任务顺利完成之后，RRM将展示空间机器人如何

为残留卫星（一种最初设计不参与服役的，现存的

轨道航天器）的仪器补充制冷剂。

空间站货物运输和硬件安装

新的硬件运送到ISS，与RRM模块配备在一起

成为新的操作器。RRM在轨转移架（ROTC，一个

用于转移ISS外部硬件的装置）被添加到RRM模块

上以增强其能力。

航天员将ROTC装在日本气闸舱的滑动板上，

为加拿大的Dextre机器人提供了一个便于完成旧硬

件取出及后续新硬件安装的平台。

第二个新的设备称为视觉检查灵活无骨机器人

（VIPIR），也被安装在RRM模块上。这是一个由

NASA戈达德航天飞行中心建造的针孔观察仪检查

图 6 轨道高度和移动无线电卫星座倾斜角度与ISS信

号强度关系

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载人航天 空间科学与应用动态Utilization Trend of Manned Space Engineering

工具，可对内部卫星维修工作进行监视。

上述两个任务，都经日本气闸舱、ROTC和

Dextre机械臂发送并安装到RRM任务上。

在Dextre双臂机器人和RRM工具帮助下，RRM

任务团队完成制冷剂补充任务。在给阀门安装完新

的硬件后，利用VIPIR窥视黑暗的地方，并产生压

力密封后，RRM和Dextre机器人将停止这一轮任务

的制冷剂转移。

RRM第2阶段行动在2014年启动。首次行动主

要是演示其在轨能力——切割线和移除瓶盖，这两

项工作已于2012年在原有的RRM工具和活动板的协

助下顺利完成。

空间扩展能力

低温液体主要用于使高灵敏度照相机以更好的

状态工作。但是这种极冷物质易发生泄漏，可能导

致相机无法正常工作。通过补充低温液体储备可使

仪器超期服役，并最终延长航天器服役时间。

政府和商业部门都在集中扩大航天器运营商的选

择权。运营商可以选择未来通过使用制冷剂来延长老

化的观测设备或航天器的服役期限，而不是退役或者

发射一个新的代价更为昂贵的观测设备或航天器。

RRM任务演示是最终实现这一功能的重要步骤。

为未来服务能力做准备

随着2011年最后一个发射到ISS的航天飞机任

务结束，RRM一直在稳步实施在轨卫星服务活动。

RRM将ISS当作实验平台，与加拿大航天局合作进

行相关技术研究和开发。

NASA开发RRM演示远程操作机器人机制是如

何延长几百颗地球同步轨道卫星（GEO）的寿命

的。在花费了大笔费用，飞行了约22000英里后，

GEO飞船提供了诸多必要的服务，例如天气预报、

通信、电视广播、政府通讯和空中交通管理等。这

种服务能力可以大大提高政府和商业运行商未来选

择的范围。它们有可能会大大降低卫星更换和新发

射太空飞船的成本。

NASA继续测试新的机器人前沿服务能力。结

合RRM，SSCO团队在开发必要技术的同时，还一

直致力于研究一种新概念的服务任务，包括自主交

会和捕获系统、推进剂输送系统、协调和同步卫星

服务业务的专门算法等。

参考文献：

[1] International Space Station Benefits for Humanity.

靳召君 编译 张伟 校对

图 7 机器人加注燃料任务使用Canadarm2（ISS的

机械臂），以及加拿大的Dextre机器人，来演示卫

星服务任务。