一艘配備雙靈活機械臂的太空飛行器本周早些時候搭乘SpaceX獵鷹9號火箭升空，正前往地球同步軌道，開啟一項長達十年的衛星服務任務，標誌著衛星在軌服務領域邁入全新階段。
這艘名為"任務機器人飛行器"（MRV）的太空飛行器由諾斯羅普·格魯曼公司擁有並製造，於周二從佛羅里達州卡納維拉爾角太空軍基地發射升空。三個小型推進艙隨MRV一同搭乘獵鷹9號火箭升空，每個推進艙均可作為獨立太空飛行器運行。
獵鷹9號在升空約一小時內完成了全部四個有效載荷的部署。這些衛星從初始橢圓軌道轉移至赤道上方超過22000英里（近36000千米）的圓形軌道大約需要一年時間。屆時，MRV與三個任務延伸艙（MEP）將與地球自轉保持同步，與眾多民用及軍用通信衛星、導彈預警平台以及數量不斷增加的偵察衛星共享同一類型軌道。
真正的挑戰從那時才真正開始。
MRV可以說是迄今發射的最先進衛星服務太空飛行器，在已知範圍內無疑是技術最複雜的在軌服務飛行器。中國曾於2016年將一顆配備機械臂的衛星送入地球同步軌道，2021年又發射了實踐二十一號（SJ-21）衛星，執行"空間碎片緩解"任務。SJ-21與一顆報廢的中國導航衛星對接，將其轉移至更高軌道處置後，自身返回地球同步軌道帶。
2025年1月，中國發射了SJ-25在軌加注任務衛星，數月後與SJ-21完成對接，隨後兩星分離，完成了迄今為止距離地球最遠的在軌加注演示驗證。補充的推進劑預計將延長SJ-21的服役壽命，使其具備對地球同步軌道上其他衛星進行訪問和變軌的能力。
諾斯羅普·格魯曼及其子公司SpaceLogistics在MRV任務中也有相同的設想。這一能力具有明確的軍事應用價值。去年，美國太空司令部司令史蒂芬·懷廷上將在國會聽證時表示，中國正在研發"具備在軌機動能力的反太空衛星，利用軍民兩用技術對美方衛星構成威脅"，並明確將SJ-21列為中國可能"出於潛在進攻目的針對美方依賴的衛星"加以利用的案例。
美國太空軍已在地球同步軌道部署了一支檢視衛星艦隊，專門觀察和監控外國太空飛行器活動。去年，美國軍方操作人員在SJ-21與SJ-25執行在軌加注任務期間，將其中一顆檢視衛星機動至兩星附近進行監視。
然而，此前軍方從未公開承認美國擁有能力與中國實踐系列衛星相當的衛星。MRV任務的公布改變了這一狀況。美國國防部高級研究計劃局（DARPA）為該衛星的機器人有效載荷開發投入了約4.2億美元，諾斯羅普·格魯曼公司也同步投入了數億美元資金。
這一公私合作項目將諾斯羅普·格魯曼現有的商業衛星服務計劃與DARPA的"地球同步衛星機器人服務"（RSGS）項目合併推進，兩者此前各自獨立運營。
諾斯羅普·格魯曼分別於2019年和2020年發射了兩顆名為"任務延伸飛行器"（MEV）的衛星，與地球同步軌道上老化的商業通信衛星對接，接管其姿態指向與軌道控制功能。MRV在MEV概念基礎上進一步發展，藉助DARPA資助開發的機械臂，新型服務飛行器無需綁定單一客戶，可利用機械臂為多顆地球同步衛星安裝任務延伸艙。
這與在軌加注不同，但MRV實現的目標殊途同歸。美國太空軍還與Astroscale公司簽訂了單獨合同，計劃於明年在地球同步軌道開展加注演示，這將是美國企業在該軌道首次完成此類操作。MRV的功能不止於延壽，還能對原本並未針對在軌服務設計的衛星開展檢視、維護、升級或修復工作。
DARPA與海軍研究實驗室合作開發了RSGS機器人有效載荷。這套歷經二十餘年研發的機器人系統按照國防部可靠性標準設計，具備冗餘機械臂、航空電子系統及任務組件。RSGS有效載荷還配備攝影機和傳感器，使MRV能夠自主接近、檢視、捕獲並升級原本未為訪客預留接口的客戶衛星。
海軍研究實驗室海軍航天技術中心代理主任伯納德·凱爾姆在聲明中表示："這次抵達發射台的歷程，是數十年願景、風險承擔與不懈工程努力的集中體現。"DARPA早在2002年便開始資助海軍研究實驗室的太空機器人研究，起點是一項名為"RescueSat"概念的小型研究。RSGS的技術譜系正是從那時延續至今。
凱爾姆表示："RSGS旨在徹底改變'發射即遺棄'的傳統模式，通過使能在軌干預，包括檢視、機械故障排除、衛星重定位和升級等，推動這一範式轉變。"
這並非DARPA首次涉足衛星服務領域。2007年發射的"軌道快車"任務完成了數月的交會對接機動、機械臂測試及其他低地球軌道服務演示。DARPA於2015年正式設立RSGS項目，以海軍研究實驗室已有的機器人研究成果為基礎持續推進。DARPA最初選擇Maxar（現已更名為Lanteris Space Systems）作為RSGS合作方，但該公司中途退出，DARPA於2020年改由諾斯羅普·格魯曼接替。
NASA戈達德太空飛行中心也在NASA於2024年取消自身機器人衛星服務任務後，將工程專業知識貢獻給了RSGS項目，支持內容涵蓋動態仿真與分析工具開發、軟體驗證，以及在任務運行期間協助地面控制人員的飛行機器人操作團隊。
DARPA的RSGS項目經理吉姆·舒梅克表示："RSGS的設計目標是服務未經專門準備的衛星，因此機器人系統更為複雜。這是一套按照可運營系統標準設計的系統。'軌道快車'只有一條機械臂，而RSGS有兩條，能力更強，同時也提供了冗餘保障——若任務中某條機械臂出現問題，另一條可以接續工作。此外，DARPA致力於將這一能力移交產業界，因此這是一項公私合作項目。"
諾斯羅普·格魯曼的前三個任務延伸艙與MRV同乘一枚火箭發射，但它們將通過各自的電推進系統獨立飛抵地球同步軌道。這些體積約與洗碗機相當的推進艙將在軌等待MRV機械臂前來取回。取回首個推進艙後，服務飛行器將與首顆客戶衛星交會，精確對準客戶衛星後，將推進艙安裝至其發動機艙。推進艙將鎖定在衛星上，接管推進控制長達八年，充當一個推進背包或小型MEV，按需在地球同步軌道內移動客戶衛星。
舒梅克告訴媒體記者："從地面用操縱杆操控是行不通的，因為信號延遲太長。必須能夠上傳任務腳本，或者讓衛星自主執行。"
工程師在地面已對機械臂進行了全面測試，測試環境為地球完整重力環境，而在微重力環境下情況將截然不同。
"慣性在太空中的表現方式不同，"舒梅克說，"移動機械臂時，整顆衛星會向相反方向旋轉，因此機械臂的每一個動作都必須由控制系統加以補償，以保持衛星姿態穩定，這相當複雜。"
他繼續解釋道："與另一顆衛星對接後，動力學特性會完全改變，因為質量和尺寸都翻了倍，控制系統必須能夠適應這種新的配置。這些都是極具挑戰性的難題。"
機械臂的功能不僅限於操控諾斯羅普的推進模組。臂端的手部可兼容不同類型的工具。本次任務攜帶了兩套用於抓取任務延伸艙或其他帶抓取接口目標的"艙捕獲工具"，MRV還配備了兩套"馬爾曼環"工具，必要時可直接抓住客戶衛星。
諾斯羅普·格魯曼與SpaceLogistics尚未公布MRV的首個服務目標。兩家公司已與SES和Optus兩家通信衛星運營商簽署商業協議，將利用MRV為其衛星加裝推進背包。美國太空軍預計也將使用MRV對其至少一顆衛星開展服務。
諾斯羅普·格魯曼在發射時已取得政府資助機器人有效載荷的所有權，但仍須在完成首次服務演示後向DARPA提供任務性能相關數據。
"完成演示後，DARPA及政府方面基本上就退出了主導地位，因為那時我們才算真正完成了移交，"舒梅克說。
此後，美國太空軍將接替DARPA承擔政府合作方角色，諾斯羅普·格魯曼將繼續持有衛星及有效載荷所有權，並負責日常運營。
"他們將運營這顆衛星10至13年，這也是平均任務壽命，"舒梅克說，"因此，美國政府無需承擔長期運營維護費用，便可受益於在軌服務能力。政府可按需與諾斯羅普·格魯曼簽訂合同獲取服務。"
任務管理人員在接受媒體採訪時著重強調了MRV的適應性，舒梅克表示，正是這一點使其有別於其他衛星服務任務。
"RSGS配備了全七自由度機械臂，儀器化程度高，臂端可換裝多種工具，並具備較高程度的自主控制能力，"他說，"這是一套通用型、高靈巧度的機器人系統。"
待MRV用完現有三個推進艙後，地麵團隊可追加製造並發射更多推進艙，與MRV在地球同步軌道交接。未來發射還可攜帶新型工具，例如用於更深入服務或修復作業的切割刀、剪斷器或機器人螺絲刀。MRV本身也被設計為可在軌加注燃料。諾斯羅普·格魯曼近期暫無建造第二顆MRV的計劃，但將持續對已發射的飛行器進行升級和功能擴展。
另一個設想是利用MRV開創在軌物流新時代，而不僅限於服務和延壽。理論上，MRV可成為地球同步軌道物流鏈條的重要一環——諾斯羅普自有的ROOSTER衛星平台或藍色起源的"藍環"等補給太空飛行器攜帶預置備用部件、載荷和傳感器發射入軌後，MRV可前往取回這些載荷，並送達有需求的目標衛星。
國家安全領域衛星服務最具商業價值的市場，最初很可能集中在地球同步軌道。那裡匯聚了軍方造價最為高昂、動輒耗資數十億美元的衛星資產，這些太空飛行器或獨一無二，或僅以小型編隊運行。儘管距地遙遠，這反而使地球同步衛星在遭受攻擊時更顯脆弱。相比之下，低地球軌道衛星通常隸屬於大型分布式星座，更易補充替換。
但低地球軌道的加注與服務市場同樣前景可期。NASA去年與衛星製造初創企業Katalyst Space Technologies簽訂合同，對其低軌天文衛星實施軌道抬升。Katalyst已於上月發射該任務，服務飛行器正追趕客戶衛星中。
SpaceX則計劃以其星艦火箭實施史上最具雄心的在軌加注演示，目標是在低地球軌道上實現星艦間低溫推進劑傳輸，最早或於今年底至明年進行，以此作為未來支持NASA阿爾忒彌斯登月任務大規模在軌加注的前期驗證。
上述公司正沿各自路徑向衛星服務、在軌加注、空間補給站以及軍方所稱的"動態太空行動"領域推進。趨勢已然清晰：要充分開發利用太空領域，"發射即拋棄"的思維定式必須徹底轉變。
Q&A
Q1：MRV與之前的任務延伸飛行器MEV相比有什麼本質區別？
A：MEV對接後必須綁定單一客戶衛星，接管其姿態控制。而MRV配備了雙七自由度機械臂，可以為多顆衛星逐一安裝任務延伸艙，完成安裝後再轉移至下一個目標。MRV還能對未預留服務接口的衛星進行檢視、維修和升級，具備通用工具更換能力，適用範圍遠超MEV。
Q2：任務延伸艙MEP是如何為客戶衛星提供服務的？
A：任務延伸艙體積約與洗碗機相當，由MRV機械臂從軌道上取回後，精確安裝到客戶衛星的發動機艙內，鎖定後接管衛星推進控制，相當於為衛星外掛一個推進背包，可持續工作長達八年，按需在地球同步軌道內移動客戶衛星，從而延長衛星使用壽命。
Q3：RSGS機器人有效載荷最大的技術難點是什麼？
A：最大難點在於微重力環境下的動力學控制。機械臂移動時，整顆衛星會向相反方向旋轉，控制系統必須實時補償每一個動作。當MRV與客戶衛星對接後，整體質量和尺寸約翻倍，控制系統還必須動態適應新的慣性特性，而這一切都需要衛星大量依賴自主控制，無法依靠地面實時遙控完成。
