一艘配备双灵活机械臂的航天器本周早些时候搭乘SpaceX猎鹰9号火箭升空，正前往地球同步轨道，开启一项长达十年的卫星服务任务，标志着卫星在轨服务领域迈入全新阶段。
这艘名为"任务机器人飞行器"（MRV）的航天器由诺斯罗普·格鲁曼公司拥有并制造，于周二从佛罗里达州卡纳维拉尔角太空军基地发射升空。三个小型推进舱随MRV一同搭乘猎鹰9号火箭升空，每个推进舱均可作为独立航天器运行。
猎鹰9号在升空约一小时内完成了全部四个有效载荷的部署。这些卫星从初始椭圆轨道转移至赤道上方超过22000英里（近36000千米）的圆形轨道大约需要一年时间。届时，MRV与三个任务延伸舱（MEP）将与地球自转保持同步，与众多民用及军用通信卫星、导弹预警平台以及数量不断增加的侦察卫星共享同一类型轨道。
真正的挑战从那时才真正开始。
MRV可以说是迄今发射的最先进卫星服务航天器，在已知范围内无疑是技术最复杂的在轨服务飞行器。中国曾于2016年将一颗配备机械臂的卫星送入地球同步轨道，2021年又发射了实践二十一号（SJ-21）卫星，执行"空间碎片缓解"任务。SJ-21与一颗报废的中国导航卫星对接，将其转移至更高轨道处置后，自身返回地球同步轨道带。
2025年1月，中国发射了SJ-25在轨加注任务卫星，数月后与SJ-21完成对接，随后两星分离，完成了迄今为止距离地球最远的在轨加注演示验证。补充的推进剂预计将延长SJ-21的服役寿命，使其具备对地球同步轨道上其他卫星进行访问和变轨的能力。
诺斯罗普·格鲁曼及其子公司SpaceLogistics在MRV任务中也有相同的设想。这一能力具有明确的军事应用价值。去年，美国太空司令部司令斯蒂芬·怀廷上将在国会听证时表示，中国正在研发"具备在轨机动能力的反太空卫星，利用军民两用技术对美方卫星构成威胁"，并明确将SJ-21列为中国可能"出于潜在进攻目的针对美方依赖的卫星"加以利用的案例。
美国太空军已在地球同步轨道部署了一支检视卫星舰队，专门观察和监控外国航天器活动。去年，美国军方操作人员在SJ-21与SJ-25执行在轨加注任务期间，将其中一颗检视卫星机动至两星附近进行监视。
然而，此前军方从未公开承认美国拥有能力与中国实践系列卫星相当的卫星。MRV任务的公布改变了这一状况。美国国防部高级研究计划局（DARPA）为该卫星的机器人有效载荷开发投入了约4.2亿美元，诺斯罗普·格鲁曼公司也同步投入了数亿美元资金。
这一公私合作项目将诺斯罗普·格鲁曼现有的商业卫星服务计划与DARPA的"地球同步卫星机器人服务"（RSGS）项目合并推进，两者此前各自独立运营。
诺斯罗普·格鲁曼分别于2019年和2020年发射了两颗名为"任务延伸飞行器"（MEV）的卫星，与地球同步轨道上老化的商业通信卫星对接，接管其姿态指向与轨道控制功能。MRV在MEV概念基础上进一步发展，借助DARPA资助开发的机械臂，新型服务飞行器无需绑定单一客户，可利用机械臂为多颗地球同步卫星安装任务延伸舱。
这与在轨加注不同，但MRV实现的目标殊途同归。美国太空军还与Astroscale公司签订了单独合同，计划于明年在地球同步轨道开展加注演示，这将是美国企业在该轨道首次完成此类操作。MRV的功能不止于延寿，还能对原本并未针对在轨服务设计的卫星开展检视、维护、升级或修复工作。
DARPA与海军研究实验室合作开发了RSGS机器人有效载荷。这套历经二十余年研发的机器人系统按照国防部可靠性标准设计，具备冗余机械臂、航空电子系统及任务组件。RSGS有效载荷还配备摄像头和传感器，使MRV能够自主接近、检视、捕获并升级原本未为访客预留接口的客户卫星。
海军研究实验室海军航天技术中心代理主任伯纳德·凯尔姆在声明中表示："这次抵达发射台的历程，是数十年愿景、风险承担与不懈工程努力的集中体现。"DARPA早在2002年便开始资助海军研究实验室的太空机器人研究，起点是一项名为"RescueSat"概念的小型研究。RSGS的技术谱系正是从那时延续至今。
凯尔姆表示："RSGS旨在彻底改变'发射即遗弃'的传统模式，通过使能在轨干预，包括检视、机械故障排除、卫星重定位和升级等，推动这一范式转变。"
这并非DARPA首次涉足卫星服务领域。2007年发射的"轨道快车"任务完成了数月的交会对接机动、机械臂测试及其他低地球轨道服务演示。DARPA于2015年正式设立RSGS项目，以海军研究实验室已有的机器人研究成果为基础持续推进。DARPA最初选择Maxar（现已更名为Lanteris Space Systems）作为RSGS合作方，但该公司中途退出，DARPA于2020年改由诺斯罗普·格鲁曼接替。
NASA戈达德太空飞行中心也在NASA于2024年取消自身机器人卫星服务任务后，将工程专业知识贡献给了RSGS项目，支持内容涵盖动态仿真与分析工具开发、软件验证，以及在任务运行期间协助地面控制人员的飞行机器人操作团队。
DARPA的RSGS项目经理吉姆·舒梅克表示："RSGS的设计目标是服务未经专门准备的卫星，因此机器人系统更为复杂。这是一套按照可运营系统标准设计的系统。'轨道快车'只有一条机械臂，而RSGS有两条，能力更强，同时也提供了冗余保障——若任务中某条机械臂出现问题，另一条可以接续工作。此外，DARPA致力于将这一能力移交产业界，因此这是一项公私合作项目。"
诺斯罗普·格鲁曼的前三个任务延伸舱与MRV同乘一枚火箭发射，但它们将通过各自的电推进系统独立飞抵地球同步轨道。这些体积约与洗碗机相当的推进舱将在轨等待MRV机械臂前来取回。取回首个推进舱后，服务飞行器将与首颗客户卫星交会，精确对准客户卫星后，将推进舱安装至其发动机舱。推进舱将锁定在卫星上，接管推进控制长达八年，充当一个推进背包或小型MEV，按需在地球同步轨道内移动客户卫星。
舒梅克告诉媒体记者："从地面用操纵杆操控是行不通的，因为信号延迟太长。必须能够上传任务脚本，或者让卫星自主执行。"
工程师在地面已对机械臂进行了全面测试，测试环境为地球完整重力环境，而在微重力环境下情况将截然不同。
"惯性在太空中的表现方式不同，"舒梅克说，"移动机械臂时，整颗卫星会向相反方向旋转，因此机械臂的每一个动作都必须由控制系统加以补偿，以保持卫星姿态稳定，这相当复杂。"
他继续解释道："与另一颗卫星对接后，动力学特性会完全改变，因为质量和尺寸都翻了倍，控制系统必须能够适应这种新的配置。这些都是极具挑战性的难题。"
机械臂的功能不仅限于操控诺斯罗普的推进模块。臂端的手部可兼容不同类型的工具。本次任务携带了两套用于抓取任务延伸舱或其他带抓取接口目标的"舱捕获工具"，MRV还配备了两套"马尔曼环"工具，必要时可直接抓住客户卫星。
诺斯罗普·格鲁曼与SpaceLogistics尚未公布MRV的首个服务目标。两家公司已与SES和Optus两家通信卫星运营商签署商业协议，将利用MRV为其卫星加装推进背包。美国太空军预计也将使用MRV对其至少一颗卫星开展服务。
诺斯罗普·格鲁曼在发射时已取得政府资助机器人有效载荷的所有权，但仍须在完成首次服务演示后向DARPA提供任务性能相关数据。
"完成演示后，DARPA及政府方面基本上就退出了主导地位，因为那时我们才算真正完成了移交，"舒梅克说。
此后，美国太空军将接替DARPA承担政府合作方角色，诺斯罗普·格鲁曼将继续持有卫星及有效载荷所有权，并负责日常运营。
"他们将运营这颗卫星10至13年，这也是平均任务寿命，"舒梅克说，"因此，美国政府无需承担长期运营维护费用，便可受益于在轨服务能力。政府可按需与诺斯罗普·格鲁曼签订合同获取服务。"
任务管理人员在接受媒体采访时着重强调了MRV的适应性，舒梅克表示，正是这一点使其有别于其他卫星服务任务。
"RSGS配备了全七自由度机械臂，仪器化程度高，臂端可换装多种工具，并具备较高程度的自主控制能力，"他说，"这是一套通用型、高灵巧度的机器人系统。"
待MRV用完现有三个推进舱后，地面团队可追加制造并发射更多推进舱，与MRV在地球同步轨道交接。未来发射还可携带新型工具，例如用于更深入服务或修复作业的切割刀、剪断器或机器人螺丝刀。MRV本身也被设计为可在轨加注燃料。诺斯罗普·格鲁曼近期暂无建造第二颗MRV的计划，但将持续对已发射的飞行器进行升级和功能扩展。
另一个设想是利用MRV开创在轨物流新时代，而不仅限于服务和延寿。理论上，MRV可成为地球同步轨道物流链条的重要一环——诺斯罗普自有的ROOSTER卫星平台或蓝色起源的"蓝环"等补给航天器携带预置备用部件、载荷和传感器发射入轨后，MRV可前往取回这些载荷，并送达有需求的目标卫星。
国家安全领域卫星服务最具商业价值的市场，最初很可能集中在地球同步轨道。那里汇聚了军方造价最为高昂、动辄耗资数十亿美元的卫星资产，这些航天器或独一无二，或仅以小型编队运行。尽管距地遥远，这反而使地球同步卫星在遭受攻击时更显脆弱。相比之下，低地球轨道卫星通常隶属于大型分布式星座，更易补充替换。
但低地球轨道的加注与服务市场同样前景可期。NASA去年与卫星制造初创企业Katalyst Space Technologies签订合同，对其低轨天文卫星实施轨道抬升。Katalyst已于上月发射该任务，服务飞行器正追赶客户卫星中。
SpaceX则计划以其星舰火箭实施史上最具雄心的在轨加注演示，目标是在低地球轨道上实现星舰间低温推进剂传输，最早或于今年底至明年进行，以此作为未来支持NASA阿尔忒弥斯登月任务大规模在轨加注的前期验证。
上述公司正沿各自路径向卫星服务、在轨加注、空间补给站以及军方所称的"动态太空行动"领域推进。趋势已然清晰：要充分开发利用太空领域，"发射即抛弃"的思维定式必须彻底转变。
Q&A
Q1：MRV与之前的任务延伸飞行器MEV相比有什么本质区别？
A：MEV对接后必须绑定单一客户卫星，接管其姿态控制。而MRV配备了双七自由度机械臂，可以为多颗卫星逐一安装任务延伸舱，完成安装后再转移至下一个目标。MRV还能对未预留服务接口的卫星进行检视、维修和升级，具备通用工具更换能力，适用范围远超MEV。
Q2：任务延伸舱MEP是如何为客户卫星提供服务的？
A：任务延伸舱体积约与洗碗机相当，由MRV机械臂从轨道上取回后，精确安装到客户卫星的发动机舱内，锁定后接管卫星推进控制，相当于为卫星外挂一个推进背包，可持续工作长达八年，按需在地球同步轨道内移动客户卫星，从而延长卫星使用寿命。
Q3：RSGS机器人有效载荷最大的技术难点是什么？
A：最大难点在于微重力环境下的动力学控制。机械臂移动时，整颗卫星会向相反方向旋转，控制系统必须实时补偿每一个动作。当MRV与客户卫星对接后，整体质量和尺寸约翻倍，控制系统还必须动态适应新的惯性特性，而这一切都需要卫星大量依赖自主控制，无法依靠地面实时遥控完成。
