地月空间发展与智能自主航天系统  
 

■张育林

2019年是人类登月50周年，世界各国都在筹划新一轮载人月球探测。中国载人航天工程也将载人月球探测作为空间站之后下一步重要任务。

人类文明史就是不断拓展生存空间的历史，地球资源已无法承载人类以当前发展模式和速度再继续100年，因此将太阳系的资源纳入人类社会经济圈是必然选择。人类在拓展大陆和海洋之后，下一个空间在哪里？应该就是地月空间。

地月空间的三大要素

月球作为地球的近邻和第八大陆，是人类唯一踏足的地外天体。地月空间是继陆地和海洋之后，人类生存空间拓展的又一领域。

地月空间指的是近地空间、月球空间和地月转移空间所组成的宇宙空间。地月空间有三大要素。首先是轨道。所有航天体都在轨道上运行或转移，除了大家已经非常熟知的轨道以外，地月空间还存在一些可以进行地月转移和在地月空间驻留的轨道，这是人类进行地月空间建设、开发和利用的重要基础。

地月空间的第二大要素是能量。地月空间是人类在太阳系内可以利用化学能推进构建高效运输体系的区域。从地球表面进入静止轨道需要速度增量每秒11公里的能量，但从静止轨道到月球所需的能量远低于此。近地小天体离地球上亿公里远，但是从地月空间到近地小天体所需要的能量也远远低于从地球表面进入地月空间的能量，也就是说开发地月空间具有能量优势。

地月空间的第三大要素是资源。月球和近地小天体可以为地月空间发展提供丰富的地外物质资源。从阿波罗登月至今，我们对月球的成分有了基本认识。按照元素周期表，地球上有的月球上基本都有，且极有可能在月球的两端存在大量水资源。

我们利用地外资源，在静止轨道（GEO）、平动点和月球建设大型设施，随着值守、居住和旅行人数的增长，地月空间包括月球表面最终将成为人类生存的新空间。

航天器在轨操作

在地月空间进行建设、制造、安装等一系列工作统称为在轨操作，在轨操作是太空的基础。

全球共有554颗GEO卫星在轨工作，其中349颗为商业卫星，提供通信、导航等服务。GEO卫星是高价值太空资产，也是当前太空经济的主要商业资源。航天器为GEO卫星提供在轨加注、维修与升级等服务与维护，具有重大商业价值。截至2019年4月，在轨正常工作的卫星有2045颗，其中有500多颗在离地面35786公里的静止轨道上，每一颗都价值不菲，如果这些卫星能够在轨加注燃料或者升级服务，将是具有重大意义的太空商业项目。

天舟货运飞船主要目的就是要突破空间飞行器的在轨加注技术，我们开展了推进剂在轨加注试验，前后进行了三次，将700多公斤燃料加注到天舟货运飞船，再到天宫实验室。这标志着我国成为继俄罗斯之后世界上第二个完成在轨推进剂加注的国家，从地月空间开发的角度来看，说明我国已经具备了对空间飞行器进行推进剂加注的能力。

天宫空间站的建设是典型的在轨组装与建造，其基本构造由核心舱、实验舱Ⅰ和实验舱Ⅱ三个舱段组成，三舱组合体质量约为66吨，额定乘员3人，轮换期间短期可达6人。这是我国在地月空间大型设施建造上作出的重要探索。

空间站建设中另一重要组成部分是空间机器人，即机械臂。中国的空间站配备了一大一小两个机械臂，它们可以分别工作和联合工作，也可组装在仪器上。我们利用这个空间机器人完成一系列空间建造和服务，包括舱段转位与对接、支持航天员出舱活动、空间站舱外状态检查、悬停飞行器捕获等。

临近飞行与智能自主

空间在轨服务和空间建造一个重要的问题就是空间飞行器的相对飞行。相对飞行分两部分，一是远距离相对飞行，如载人飞船对接空间站，其距离从几百公里到几百米不等，最后对接在一起。二是两个飞行器的临近飞行。此时中心天体引力不再主导相对运动，任务模式必须具有智能自主控制能力。

到目前为止，大型航天工程，包括载人飞船、天宫实验室都是地面绑定控制模式，飞行器上所有测量数据要通过测控网传到地面，然后由人工专家决策，产生的指令再由控制网上传到航天器，这不能适应将来在轨操作所必需的临近飞行要求。实现临近飞行的必然是一种智能自主的航天系统，从航天角度来讲就是“航天器同地面的控制与监管断开”，这也是将来航天控制要研究的重要方面。