我为地球修卫星

本文来自微信公众号：小火箭（ID:  ixiaohuojian），作者：邢强博士，封面来自：东方IC

公元2019年10月9日，协调世界时10点17分56秒，俄罗斯国际发射公司的一枚质子运载火箭在拜科努尔200/39工位成功点火。

经过将近16个小时的飞行，两个载荷以超同步转移轨道的方式，成功入轨。

这次发射，除运载了欧洲的一颗2.87吨重的同步轨道通信卫星之外，还创造了人类太空探索史以来的一个里程碑事件：

人类第一个实用性高轨在轨维护飞行器成功发射。

上图为即将放入质子运载火箭的整流罩内的两颗卫星，呈上下串联方式布局。上图从左到右：星箭适配器、诺斯洛普·格鲁曼的MEV-1飞行器、欧洲通信卫星EUTELSAT 5 West B。

换个角度：

上面那个有着巨大折叠天线的，是欧洲通信卫星；下面那个方头方脑的，就是本报告的主角，诺斯洛普·格鲁曼公司的MEV-1飞行器，人类首个实用性高轨维护飞行器。

本文，小火箭将要和大家共同探讨的是：

1. 什么是MEV-1飞行器？

2. 在轨燃料加注和其他维护作业的技术基础是什么？

3. 人类首颗实用性在轨维护飞行器将对在轨卫星进行怎样的操作？

4. 在轨维护飞行器有怎样的军事潜力？

5. 在轨维护飞行器有怎样的商业价值？

6. 小火箭展望由此类飞行器所影响的未来。

概念

MEV，是Mission Extension Vehicle的缩写，直译为：任务拓展飞行器。

小火箭琢磨着，从这些年来的设计和探讨的结果来看，这里的任务拓展，至少有三重含义：

第一：以加注燃料或者接力辅助的方式，让耗尽燃料的卫星恢复青春；

第二：以在轨维修的方式，让组件受损的卫星恢复健康；

第三：以在轨加挂新硬件的方式，让古老的卫星焕发新生。

以上是个人理解，于是就有了两个要求：欢迎所有人补充新的含义；使用上述三种含义，注明来源，以方便所有人对源流进行追溯。

考虑到国内咱们这边的航空与航天还是处于割裂的状态，公众对于飞行器的第一印象，往往是飞机或者飞艇，甚至无人机这样的航空器，因此，MEV的那个代表飞行器的V，可直接替换成 卫星 ，以免引起歧义。

又考虑到任务拓展的内涵和外延过于宽泛，小火箭认为，更符合中文语境的概念，为：在轨维护。（加油、抛光、打蜡、升级硬件，统称为维护。）

这样的话，MEV也就有了出自咱们小火箭的中文译法：

在轨维护卫星

小火箭定律：迄今为止，在人类工程技术发展史上，几乎没有任何一项尖端技术能够被军方所忽略。不管这项技术的初衷到底是用于提升人类的生活质量还是仅仅用来满足人类的好奇心，最终这些家伙大多都被拿来用于增强军队的作战效能了。

早在上世纪70年代，美苏冷战的白热化时期，太空维护卫星的概念就开始准备走向工程化了。

上图为美国设想的星球大战的天基拦截空间站，用于在太空发射高能激光束，拦截或者烧毁苏联发射的洲际弹道导弹核弹头。

这样的天基拦截空间站，需要长期在轨运营，并且能够根据需要，经常进行变轨操作，因此需要消耗大量燃料。

上图的大圆球后面带着的两个小圆球，就是可挂载的混肼-50燃料贮箱和四氧化二氮氧化剂贮箱。

通过定期发射燃料补给卫星，为天基拦截空间站更换贮箱，来实现该系统的长期在轨保持。

当然，后来美国和苏联都走向了用装备上万枚洲际弹道核导弹的方式，实现了恐怖的“相互确保摧毁”策略，维持了这两个超级大国之间的核平衡：

谁动手，谁也会被还手。无论谁先动手，大家都会一起完蛋。

这样，符合理智的结论，就是谁都不会贸然动手。

这使得天基拦截空间站的项目随着星球大战计划的降温而暂时搁置了。

但是，这个天基可操作的理念，点醒了苏联工程师：

既然美国开发了能够在太空中摘除空贮箱并加挂新贮箱的技术，那么也就拥有了俘获苏联卫星甚至是载人空间站的技术潜力！

怎么应对？

答：给空间站配备机炮！

上世纪70年代，苏联 图-22轰炸机的总设计团队和该机的尾炮塔配套设计所被邀请到了礼炮空间站的研制单位。

经过技术攻关后，人类首款专门用于太空的机炮诞生了。

上图就是基于图-22轰炸机的23毫米口径机炮研制的R-23M太空版自卫炮。

该炮重49.2公斤，比轰炸机的58.5公斤的版本，减重了不少。

太空机炮全长1.45米，炮管长1.12米，口径23毫米，射速1850发/分钟，出膛速度为845米/秒。

链式供弹系统专门为太空的微重力环境做了改进设计，防止弹药卡顿或乱飘。

1974年6月25日，苏联第2个军用载人空间站入轨（对外名称为 礼炮-3民用空间站，军内代号为 阿尔马兹-2）。

1975年1月，在269公里高度的近地圆轨道上，R-23M进行了3次试射，均取得成功。

通过此次试射，苏联掌握了太空自卫和打击技术。

不过，考虑到射出的子弹会按照轨道动力学的法则绕地球飞行，对其他航天器，甚至对苏联载人空间站本身都会有很大的威胁，在3次试射之后，该技术作为储备技术，暂时封存了。

好在太空机炮没能来得及大规模部署，就随着礼炮-3号空间站在1975年1月24日坠入稠密大气，在南太平洋上空化作了一簇耀眼的光芒。

嗯，没看错，礼炮-3号军用空间站，1974年6月25日入轨，1975年1月24日再入，仅在轨213天，在验证了高精度对地侦察拍照和太空冲印照片技术以及太空机炮技术之后，这座18.87吨重的载人空间站，完成使命，坠入地球怀抱。

后续的苏联空间站没有再配备机炮。

太空机炮，体现了人类对太空军事化的一种焦虑。

当然，结局是：太空在轨维护技术还没做好，人类先搞出了太空破坏技术。

太空在轨维护（修理己方航天器，修理敌方航天器）的概念，在太空机炮实现工程可用化之后，并没有止步。

在这里，小火箭不得不对咱们汉语的博大精深感慨一下：

修理，有两个含义，一是使损坏的东西恢复原来的形状、结构或功能；二是用言语或暴力教训对方。

既然太空机炮让原本的太空近距离抓捕和俘获变得困难，那就用大量的自动化无人设备或者有人远距离的遥控的设备进行攻击或者干扰吧！

不过，这个概念随着苏联太空机炮的提前封存而暂停。

相关技术转为上图的太空无人值守的加油站和弹药补给站的概念。

随着冷战的结束，两大航天巨头之间的对抗，变为了合作。

而以进步号货运飞船为代表的太空燃料和食物运输飞船，以和平的方式把太空在轨维护的概念实现了。

2017年4月，中国航天史上最重的航天器，13吨重的天舟1号货运飞船成功入轨。

随后，经过29个精细操作的步骤，天舟货运飞船完成了对天宫空间站的在轨燃料加注作业。在持续5天的加注过程后，中国成为继苏联和美国之后，第3个掌握在轨加注技术的国家。

如今，欧空局、日本、加拿大都有在轨维护的专项研究。

技术

在人类62年的太空探索发展史中，积累了不少技术，这些都能够为太空在轨维护提供保障。

其中，最关键的有两个：

第一，空间交会对接技术；

交会：两个航天器保持非常精确相等的轨道速度，同时保持两者间的固定距离。

对接：两个航天器连在一起。

苏联是最早掌握交会技术的国家。

在1961年4月12日，加加林代表全人类乘坐东方1号载人飞船进入太空遨游了一圈之后，苏联就开始打起了研究太空交会技术的主意。

1962年8月11日，协调世界时 08点24分12秒，一枚东方运载火箭点火，随后，东方3号载人飞船带着尼古拉耶夫进入太空。

1962年8月12日，协调世界时 08点02分33秒，也就是东方3号飞船发射后不到一天时间，另一枚早就在基地待命的东方运载火箭点火，随后东方4号飞船带着波波维奇进入太空。

两艘载人飞船，在太空中，相伴飞行，最近距离仅4.9公里。

东方3号飞船（呼号为：鹰）和东方4号飞船（呼号为：金鹰），完成了人类首次太空交会，同时实现了人类第一次太空无线电互联。

1963年6月中旬，东方5号飞船（瓦列里）和东方6号飞船（带着人类第一位女性宇航员捷列什科娃），相隔两天相继进入太空。

（有关人类第一位女性宇航员，详见小火箭的报告《捷列什科娃：人类第一位女性宇航员》。）

东方5号飞船和东方6号飞船，同样进行了太空交会试验。

同年，在1963年，巴兹·奥尔德林博士完成了他的博士毕业论文《论载人轨道交会的视线制导技术》。

是的，就是后来和阿姆斯特朗一起成为首批登上月球的人类的奥尔德林博士。

在轨交会对接技术是人类登月所必需的。

1965年12月15日，双子座6号和双子座7号飞船，实现了30厘米近距离相互伴飞（持续了20分钟）。

1966年3月16日，阿姆斯特朗驾驶双子座8号飞船，与目标飞行器成功进行了对接。

这是人类第一次在太空实现有人操作的成功对接。

1967年10月30日，苏联宇宙186号卫星和宇宙188号卫星，成功实现了无人自动对接。

1969年1月16日，苏联联盟4号与联盟5号载人飞船成功对接，两位宇航员通过对接闸门互相交换了飞船，完成人类首次空间人员调动。

至此，在轨维护作业的第一项关键技术，已经突破。

第二，高精度测控技术；

交会对接技术，对于高精度的测控网有着强烈的依赖。

而且，在未来，被交会对接的航天器，不一定是配合目标。

解释：国际空间站和货运飞船的对接，是配合目标对接，也就是说，国际空间站能够随时汇报自己的速度和位置信息。关键情况下，还能够自己改变姿态，让飞船以比较舒适的角度进近。

在龙飞船货运飞船的对接过程中，国际空间站甚至能够伸出长长的机械臂，先行抓住飞船，辅助其完成对接。

而非配合目标，则是已经失去轨道或者姿态控制的航天器，或者是根本就是敌方的目标卫星，这样的航天器无法或者不愿通告自身的位置和速度状况，同时也不会给想要对接的航天器提供一个比较理想的姿态。

在这种非配合目标对接的情况下，就更加需要地面和天空的测控系统能够提供精确的速度和位置信息了。

有关测控系统，详见小火箭的系列报告《天宫与天舟的背后：中国航天测控网已傲然崛起》《小火箭聊美国火箭与导弹的天基测控系统》《小火箭 | 军事与商业航天测控风云录》，本文不再赘述。

操作

在介绍了在轨维护（修理）的概念和相关技术之后，本报告回到最近发射的人类第一颗实用化高轨维护卫星诺斯洛普·格鲁曼MEV-1吧！

MEV-1的具体操作是这样的：

第一步，进入地球同步轨道。

带有上面级的质子系列火箭拥有6.92吨的地球同步转移轨道的运载能力。

小火箭借着质子火箭来说一下吧！

基本上，要想把卫星（或者其他载荷）送到地球同步轨道上的话，需要12步（小火箭给出的这个算例以从拜科努尔基地发射的质子-M运载火箭为基准）：

1. 火箭发射；

   
   

2. 上面级分离；

   
   

3. 上面级第1次点火；

   
   

4. 进入一个距离地面173公里，倾角为51.5°的停泊圆轨道（此时，研制质子火箭基础级的兄弟们可以庆祝了）；

   
   

5. 上面级第2次点火，开始变轨；

   
   

6. 进入一个近地点295公里，远地点6000公里，倾角为51.0°的椭圆轨道；

   
   

   

   
   

7. 抛掉微风上面级的外挂贮箱；（做轨道设计的同学，要注意，微风上面级的外挂贮箱的抛弃对后续轨道的计算有重要影响，计算和复核轨道数据的时候，要加以考虑。）

   
   

8. 上面级第3次和第4次点火，再次变轨，进入转移轨道；

   
   

9. 和风上面级的外挂贮箱进入一个近地点361公里，远地点14930公里，倾角50.8°的临时轨道；

   
   

10. 转移轨道参数：近地点475千米，远地点65044公里，轨道倾角50.5°；

    
    

11. 上面级第5次点火，终于进入目标轨道；

    
    

12. 释放载荷，该算例中，卫星在东经135.8°的赤道上方。

    
    

质子运载火箭发射同步轨道卫星，其转移轨道的远地点高达65044公里，远远超出了地球同步轨道的35786公里的高度，属于 超同步轨道方法入轨。

为直观起见，小火箭计算中心完成整个入轨过程的计算之后，给出弹道和轨道的可视化图像：

这是小火箭给出的一个由椭圆轨道向地球同步轨道转移入轨的一个算例。

上面级把卫星送入一个超级椭圆轨道上，远地点为6.5万公里。

在远地点点火后，卫星进入一个转移过渡轨道，随后进入赤道上方的3.6万公里的大圆，完成地球同步（静止）轨道的全部入轨过程。

第二步：追踪目标卫星。

质子运载火箭把欧洲通信卫星和MEV-1送入同步转移轨道后，先释放2.87吨重的欧洲通信卫星。

20分钟后，2.326吨重的MEV-1飞行器与质子的和风上面级分离。

她和欧洲通信卫星告别后，就开始盯上了国际通信卫星901号，后文简称为国际卫星901。

2001年6月9日入轨的国际卫星901，至今已在轨运行18年4个月零2天，也就是6698天。按15年的设计寿命，她已经超期运行3年4个月零2天了。

2018年，考虑到该星的燃料已经即将耗尽，按计划是要在2019年用尽最后一口气把自己推入坟墓轨道的，因此国际通信卫星组织已经用国际卫星37e这颗崭新的卫星替代了她的大部分工作。

第三步：在坟墓轨道交会对接。

按相关国际条约的规定，国际卫星901在今年（2019年）会进行升轨操作，耗尽自己所有燃料，把自己抬升300公里，进入坟墓轨道。

而用于在轨维护的MEV-1，在入轨之后，就会启动氙离子电推进发动机，同样向坟墓轨道进发。

让人类首颗实用化的高轨维护卫星和目标卫星在坟墓轨道交会对接，有两个方面的考虑：

首先，这符合了地球同步轨道通信卫星在寿命最后阶段要抬升到坟墓轨道长眠，为后续卫星腾出宝贵的轨道和频率资源的要求；

其次，一旦维护卫星和目标卫星的对接有个闪失，就很有可能发生碰撞，从而产生大量空间碎片。在坟墓轨道，碎片对其他在轨活跃卫星的影响是很小的。这比在同步轨道直接进行对接要保险得多。

否则，地球同步轨道上随便一颗卫星就动辄是10亿美元量级的造价，碰坏了哪颗都够刺激了。

具体交会对接过程如下：

MEV-1飞行器，采用氙离子电推进技术，会逐渐跟踪和靠近国际卫星901。

有关离子电推进技术，详见小火箭的报告《离子发动机：星际远征的重要动力》《有关电推进发动机的几个设想》。

在两颗卫星距离300米的时候，进入绕飞伴飞阶段。

MEV-1开启空间红外传感器和可见光传感器，仔细端详国际卫星901，思考和分析较好的靠近方案。

到国际卫星901的距离为80米时，MEV-1开始停泊在该星尾部后方，等待交会指令。

然后，位于地球地面工程师的发出开启激光雷达的指令，让MEV-1前进。

到20米的时候，MEV-1再次停下，向地面传输目标卫星（国际卫星901）的红外图像和可见光图像，让地面决定是否进行对接。

随后，地面工程师经判断后，发出对接指令。

MEV-1在激光雷达的指引下，来到目标卫星后方1米处。

接着，MEV-1会伸出一根类似鱼叉的长杆，插入目标卫星的远地点发动机的喷管内。

因为喷管有一个直径相对较小的喉部，所以这个鱼叉结构就能够卡住在里面。

上图是诺斯洛普·格鲁曼公司的工程师在地面进行对接测试的场景。

随后，鱼叉结构向后拉，把目标卫星和MEV-1之间的距离逐渐缩小，直到目标卫星被MEV-1的机械臂抱住。

整个过程，持续时间为3个月。

第四步：接管目标卫星，前往指定位置。

鱼叉结构是实心的，虽然已经进入目标卫星远地点发动机的喷管内部，但是并不能直接注入燃料。

原因比较明显：目标卫星在设计的时候，基本上没有考虑在18年之后，还有被加注燃料的机会，因此也就没有相关的管路阀门。

那怎么办？

答：MEV-1用自身的轨道和姿态控制能力整体接管目标卫星。

从此，国际卫星901在太空中的一举一动，都是由MEV-1的氙离子电推进发动机带动的。（另外，还有肼燃料的传统化学火箭发动机，平时不用，除非紧急情况下需要快速变轨调姿。）

上图的地面试验展示了相关的机构外形：左侧为目标卫星远地点发动机喷管，右侧为MEV-1的鱼叉长杆和4个环抱机械臂。

第五步：在指定位置，进行长达5年的轨道保持。

在进入坟墓轨道之前，国际卫星901已经偏离了工作需要的位置。

理论上，正常的地球静止轨道同步卫星，是在赤道正上方的，也就是纬度为0.0°。而国际卫星901，已经向赤道南边偏离了1.5°。

在坟墓轨道上和国际卫星901融为一体的MEV-1，将开启变轨发动机，把国际卫星901送到西经27.5°W，倾角为0.0°的轨道上重新定轨。

国际卫星901上的转发器还都可以理想地完成任务，之前准备退役，仅仅是因为她没有保持轨道位置所需的燃料了。

现在，她有了新的定轨和保持轨道的能力，于是，就重新投入了利润丰厚的国际卫星通信业务中。

按目前的合同要求，MEV-1将会维持国际卫星901的轨道位置长达5年，让该卫星的在役时间延长到23年之久！

第六步：把目标卫星送回坟墓轨道。

5年后，国际卫星901以23岁的高龄，将会创造人类高轨通信卫星的传奇。

如果她坏掉了，或者是国际卫星组织不再续费了，那么MEV-1就开始执行送别服务了：

把国际卫星901的轨道抬升300公里，送回坟墓轨道。

第七步：服务其他目标卫星。

MEV-1把国际卫星901送入坟墓轨道后，会结束和她的对接状态。

然后，启动氙离子电推进变轨发动机，追踪其他需要服务的目标卫星。

商业

至此，小火箭按七步走的方式，阐述了MEV-1在轨维护卫星的操作模式。

接下来，咱们聊聊这种卫星的盈利模式吧！

按这样的燃料消耗节奏，MEV-1还能够为其他4颗卫星提供类似的延寿服务。

也就是说，MEV-1在轨维护卫星，能够让5颗同步轨道通信卫星的寿命各自延长5年。换算成单颗卫星，就是25年，按目前高轨通信卫星15年的预期寿命，相当于在太空新创造了1.67颗卫星。

按一颗卫星10亿美元的造价与发射费用来保守估计，这一波操作，创造了16.7亿美元的产值。

地球同步轨道卫星，以卫星重、大、贵和寿命长为特点，至今依然是全球卫星产业的高地。

上图为地球静止轨道（倾角为0°的地球同步轨道）与地球的等比例示意图。

在地球同步轨道上运行的卫星，需要消耗大量燃料来维持自己在轨道上的位置。

按小火箭计算中心多年以来对近千颗卫星的跟踪和计算，取450颗地球同步轨道卫星的数据来分析，我认为：

每一颗大型地球同步轨道卫星，为轨道保持所消耗的化学燃料，每年都是50公斤量级的。

以干重1.3吨的卫星来算，其具体的轨道保持化学燃料消耗，每年为55.24公斤（一年110多斤）。

那么，如果想要在轨道上保持15年，就至少需要828.6公斤的燃料。

考虑到从地球同步转移轨道向地球同步轨道的变轨操作，需要卫星自己的远地点发动机进行点火；卫星到寿命的时候，把自己抬升到坟墓轨道，也需要一些燃料。

算起来，总燃料需求量将近1.5吨，超过了卫星的干重。

也就是说，一颗地球同步轨道卫星，在发射的时候，大部分重量是她内部所包含的燃料。

在轨维护卫星的轨道保持，用的是氙离子电推进发动机。按小火箭计算中心在2016年给出的电推进模型，每年的轨道保持燃料消耗仅需6.98公斤。

携带了1吨液氙燃料的在轨维护卫星，其燃料足够其在轨保持143.27年。如果为每颗年迈卫星提供5年的延寿服务的话，算上变轨和进出坟墓轨道的额外消耗，实际上可以为25颗卫星提供服务。

在全球每年3460亿美元的太空产业中，以美国宇航局NASA和中国的航天部门为代表的国家航天产业，占830亿美元；以各国的民营商业航天为组成部分的商业产业，占2630亿美元。

其中，商业航天最大的产业应用，就是通信业。

2018年，全球通信卫星产值为1565亿美元，是所有商业航天产业产值的60%。

按目前450颗高轨卫星来算，保守估计，每颗卫星，每年产值为3.48亿美元。

小火箭为什么说这是保守估计？因为这些高轨卫星中，还有一些是气象卫星和军事侦察卫星，推高了卫星的数量。如果纯粹按通信卫星来算，单位产值会更高。

不过，考虑到气象卫星和侦察卫星同样能够接受在轨维护服务，未来的市场规模会更大。

前文，小火箭按卫星造价和发射成本来估算，即使是MEV-1这样的首颗实用性在轨维护卫星，带了较少的燃料，也能够创造16.7亿美元的产值。

而如果按每年的产值来算，3.48亿美元每年每星，乘以25，就是87亿美元。

当然，考虑到技术风险和实际的操作成功概率，我们把总年数缩减为三分之一，就是29亿美元。

（三分之一，是考虑到有时候没能取得合适的服务订单，在太空待命消耗的燃料；考虑到需要大范围机动，去维护地球另一面的卫星所多耗的燃料。）

扣除1亿美元的发射费用和10亿美元的造价以及5亿美元的运维费用，MEV-1这样的在轨维护卫星，单颗利润为13亿美元。

这个买卖，挺赚的。

在轨维护的市场规模有多大呢？

小火箭和大家一起，放眼全球，看看现在有多少卫星在轨活跃吧！

毕竟，这种不依赖目标卫星的加注系统和控制系统的捕获式对接，适用于太空中80%以上的卫星。

其他20%，指的是体量太大，抓住了也很难靠维护卫星长期轨道保持或者大范围变轨的；要么是体量太小，很难抓住，比如立方星；要么是不敢抓，比如美国国家侦察局的锁眼系列侦察卫星和天基红外导弹预警卫星。

按国别来分，单一国家，在轨活跃卫星数量前7名为：

美国（906颗），中国（301颗），俄罗斯（153颗），日本（80颗），英国（61颗），印度（60颗），加拿大（37颗）。

总体来说，拥有在轨活跃卫星数量最多的美国，是第二名中国的3倍；中国在轨活跃卫星数量则是第三名俄罗斯的2倍；俄罗斯是第四名日本的2倍。

另，多个国际组织共拥有63颗卫星，欧空局拥有51颗卫星。

制图：小火箭邢强。

美国在轨活跃卫星的总数，相当于中国、俄罗斯、日本、多个国际组织、英国、印度、欧空局、加拿大、德国、卢森堡、法国和西班牙这第2名到第13名的在轨活跃卫星的总和。

上图为把2063颗在轨活跃卫星总数做成一个正方形后，把各个国家和组织的按拥有在轨卫星的数量划分成长方形的直观图。

这2063颗在轨运行的卫星，各有哪些用途呢？

小火箭按每颗卫星的最主要用途，排除模棱两可的“其他”项，融合了军事、商业、民用的三个领域，划分出6个专项：

通信、遥感、导航、技术验证、空间科学、地球物理。

通信卫星以773颗的数量登顶，紧随其后的是771颗遥感卫星。

直观示意图如上。

按比例来说，通信和遥感卫星分别占在轨活跃卫星总数的37.5%和37.4%。

技术验证卫星占13.3%；导航卫星（包括全球导航卫星和区域导航卫星）占6.7%。

这些卫星，只要星上电子设备和星体结构条件允许，都会是未来在轨维护卫星的潜在客户。

小火箭按卫星用途和寿命进行加权统计计算，专注于00后卫星（2000年以后入轨的），预计，在轨维护卫星产业的年市场规模，在50亿美元以上。

再考虑到目前全球运载火箭发射市场的总订单量为60亿美元。

那么，这个在轨维护卫星的产业规模，和整个运载火箭产业的规模在一个量级。

定价策略：

小火箭附赠定价策略。

MEV-1在轨维护卫星，理论上可以为单颗目标卫星增寿5年，服务5颗目标卫星。

考虑到目标卫星基本上都处于超期服役的状态，说不定在定轨期间，目标卫星就坏掉了，因此适宜采取年租的方式。

租金定多少合适呢？

如果按高轨卫星年均2亿美元的保守产值，狠一点的话，可以每年分1亿美元。

不过，这样的话，丰厚的利润会促使其他竞争者进入，形成竞价格局，让在轨维护卫星的运营企业面临压力。

所以，小火箭认为，可采取低价策略，按低造价卫星和10年在轨的保底时间来算，只要能够摊平整星研制和发射的成本，并覆盖在轨维护卫星的运营成本，可采取阶梯状年租金。

比如，第一年租金为5000万美元，第二年减少为4000万美元，到后续，边际成本足够低之后，每年租金仅1000万美元。

这样，后续想要模仿和山寨在轨维护卫星的先行者企业盈利模式的企业，就很难在三年后，跟极低租金的先行者企业竞争了。

以上是小火箭以在轨维护卫星的技术特点和盈利模式想出的一种定价策略，同时非常欢迎大家进行进一步的探讨。

军事

说起在轨维护技术的军事应用，就绕不开这两个问题：

第一：航天器与非配合目标的交会对接技术；

第二：较小的带有动力的航天器，能否控制较大航天器的姿态，甚至是轨道？

这两个问题，小火箭用进步号货运飞船与和平号空间站在一起的最后一段时光，来一起解答。

上图为和平号空间站，由发现号航天飞机摄于1998年6月12日。第一个舱段于1986年2月20日升空的和平号空间站，终于还是要垂垂老去了。

公元1999年7月16日，世界标准时间16点37分33秒，进步-M42号飞船发射升空。小火箭认为，进步号飞船此时虽然无言，但是她知道此次任务的目的，一定是含着泪的。

1999年7月18日，世界标准时间17点53分21秒，进步-M号货运飞船与和平号空间站自动对接，为最后一批留守在和平号空间站的宇航员送来补给。

1999年8月27日，最后一批留守的3名宇航员搭乘联盟TM-29飞船离开。

随后不久，和平号空间站的主控电脑、陀螺仪相继关闭。

升空13年了，累计出现2000次故障的和平号，带着1000多处仍未解决的故障，失去了意识和动力，成为了一艘在太空中漂流的古船。

但是，进步M42飞船不会让和平号就这样坠入历史的。

公元1999年9月7日，进步M42飞船发动机的一次奋力的工作打破了和平号空间站的死寂。

是的！这艘卸掉补给品后，总重不足7吨的小飞船，正在奋力顶推重达129.7吨的和平号空间站！她在用自己全部的力气，努力让已经成为一堆毫无意识的钢铁的和平号空间站维持在原有的轨道上。

进步号飞船受全世界对太空探索依然怀有热情的人之托，努力延长和平号的在轨寿命，为她争取哪怕是无比渺茫但仍有一线希望的机会。经历过太多风云的进步号知道和平号的意义，知道那过去的荣耀，也知道未来的梦想。

通常来说，进步-M型货运飞船对接到空间站之后，会与空间站一起在轨飞行1个月（后来对接到国际空间站的时候，可以延长到3个月）。

而这艘拼尽全力维持和平号轨道高度的进步飞船，顶着19倍于自身体重的毫无反应的和平号空间站，在太空中足足飞了200天零13小时。

她以自己的全部力量，全部生命，让和平号空间站在系统关闭后，仍然能够绕地球飞行。（进步M42飞船绕地球飞行了3168圈）。

2000年2月2日，进步M42几乎耗尽了自身的所有能源。她完成了历史交给她的使命。她知道，再待在和平号上的话，自己本身也有成为和平号的负担。当天3点11分52秒，进步M42用最后一丝力气与和平号分离。3小时后，进步M42坠入稠密大气，烧毁。

一艘货运飞船，能够和主控计算机已经关闭的大铁坨子对接，能够把19倍自身体重的巨型航天器，以稳定的姿态维持在近地轨道上200天的时间。这段感人的经历，同时也就蕴含着巨大的军事潜力：

较小的航天器，能够对大型航天器进行非配合目标对接，同时也能够对其进行主动控制。

小火箭给出一些设想中的应用场景。

场景一：

锁眼系列侦察卫星，代表了目前人类最先进的光学侦察水平。系出同门的哈勃太空望远镜，是锁眼系列侦察卫星的民用缩水版本。

上图为小火箭已知的5颗锁眼侦察卫星的轨道。

近期曝光的锁眼卫星在太空拍摄的火箭发射场的照片，印证了人们之前对该系列侦察卫星的极致空间分辨率的猜测。

对于这样的太空利器，被侦察国之前往往采取的是躲闪法（邀请弹道和轨道相关专业人士预报相关侦察卫星的轨道，在过顶的时候，不便示人的东西会隐藏一下）。

随着低轨巨型星座的发展，覆盖整个地球的通信和侦察网也就逐渐完成。

今后，不再有侦察卫星过顶的概念了，因为头顶上随时随地都会有大量卫星存在，而且卫星之间是高速互联的。

如何应对？

小火箭借助在轨维护卫星的设备，给出一种设想：

用小型维护卫星和敌方侦察卫星对接（或伴飞），在关键时期或者关键星下点位置，对侦察卫星的镜头进行遮挡。

这种方式，是介于地面干扰的软杀伤和用反卫星武器进行硬杀伤之间的一种手段，小火箭命名为 巧杀伤。

干扰的成本高，效果不一定好，而反卫硬杀伤，是万不得已的情况下才需要考虑的手段。反卫硬杀伤产生的大量空间碎片，会影响全人类探索太空的安全。

而巧杀伤，则是借助在轨维护卫星实施程度可控、效果可预期的新型应对手段。

在小火箭的《现代太空攻防技术与战略》的报告中，给出了巧杀伤的具体方法和作战效能分析。

场景二：

无论大家谈得有多好，总有卫星赖在轨道上不走。

有若干卫星，尤其是同步轨道卫星，早已超期服役多年，其倾角已偏离到失去了作为同步轨道通信卫星存在的意义。

但是，为了占据珍贵的轨道和频率资源，这些老旧卫星怎么也不肯让位。

怎么办？

派遣在轨维护卫星把它们清走。

在战时，可以用在轨维护卫星把对方的军事通信卫星或者导航卫星、侦察卫星推离有利轨道。

按小火箭计算中心的设计，虽然发射地球同步轨道卫星需要强有力的运载火箭，但是把一颗在地球同步轨道上正常运行的卫星推到坟墓轨道上，用巧力，仅需11.02米/秒的速度增量。就算是用土法的化学燃料火箭发动机来推进在轨维护卫星，也仅需消耗6.58公斤燃料。

场景三：

为了避免被捕获，为了自卫，太空机炮这样的武器会重生。

不过，太空还是尽量不要武器化。小火箭在这里给出设想，不是为了启发自己人，也不是为了震慑潜在敌人，而仅仅是纯粹的技术探讨。

为避免真的有技术团队尝试践行，这里不给出相应的变轨轨道示意图和弹道总体方案。（比如先降低轨道高度，然后借助近地速度快的特点，进行俯冲-拉起式强制快速交会的弹道设计）

未来

未来会怎样？

首先，像上图那样的抓获大型卫星的设备会越来越成熟。

未来的大型卫星，会采用咱们地面上的USB接口式的通用接口方案，以方便未来的维护卫星对其进行能量和信息层面的升级作业。

大型卫星在轨运行的寿命是15年，这种接口会不会到时候就过时了？

小火箭认为，这种接口在物理层面上会存续很长时间，今后主要升级的是技术标准。

比如，USB接口的即插即用和热插拔的理念，自1996年提出并立即大规模应用以来，到现在，已经是有23年的历史了。

虽然电脑USB接口有着玄奥且反人类的接口设计（第一下插不进去，第二下翻转180°，还是插不进去，第三下，再翻转180°，居然就能可靠结合了），但是这种通用型的设计到今天依然是电子设备相互连接的一种可靠手段。

小火箭相信，未来的卫星间在轨模块化连接的技术标准，将会出现并迅速普及。

第二，在轨燃料补充或者保轨延寿将会成为一个产业。

在《小火箭 | 全球在轨卫星报告2019版》中，我给出了所有高轨卫星的情况，这都是潜在用户。

最近入轨的人类第一颗实用化高轨维护卫星，在完成国际卫星901的保轨作业的时候，其实还有6颗卫星等着她的。

小火箭找出了这些卫星，算上国际卫星901一起，制成下表：

这里面，最年轻的国际卫星907，在轨时间也已经16年了，比预期寿命长了1年，也处于燃料即将耗尽的状态。

第三，辅助入轨和变轨产业。

当运载火箭的上面级出现情况，导致高轨卫星没能达到入轨条件的时候，保险公司往往开始介入。

这时，保险公司可以采购辅助入轨业务，让在轨维护卫星捕捉到大卫星，辅助其进入预定轨道。

这或许是一种减少空间碎片和提升高轨卫星发射成功率的新方法。

一些卫星，需要组成恰当的构型，以星座的方式工作。

在轨维护卫星在自身变轨的时候，可以顺路捎带上这些卫星，帮助其组成理想的星座构型。

第四，太空建筑业

曾经，我们认为太空建设是上图这样的。

有了在轨维护卫星的话，就可以借助自动化的变轨和对接技术，实现巨型太空建筑的自动化建设。

第五，太空游荡补给站的概念

地球同步轨道巨型补给站，未来应该是可以建设的。

地球同步轨道的通信卫星为什么会退役？

主要是因为保持南北位置耗尽了燃料。

这种轨道保持失效，表现的症状并不是卫星掉下来了，而是倾角不是0°了，星下点在地球表面会画8字，让地面接收天线难以适应。

这种倾角的偏移，有其周期性。

小火箭略掉复杂的计算和仿真过程，直接给出结果（因为我发现本报告的字数不知不觉间又超1.2万了）：

高轨卫星，在太阳和月球的引力摄动共同作用下，其轨道倾角的变化有一个52.8年的周期。这是轨道角动量的自然变化周期，不需要耗费任何燃料。

在地球同步轨道上的航天器，其轨道倾角就是以这样的周期，以14.8°的振幅，优雅舒缓地波动着。

那么，小火箭有个大胆的想法：

在地球同步轨道上，建设一个能够自给自足的大型太空城市。

这座城市按52.8年的周期在轨道上行进，从这里对从主小行星带采回来的资源进行精炼，并且可以很方便地派出在轨维护卫星对沿途的地球同步轨道上的其他航天器进行维护保养。

结束语

本报告，小火箭阐述了在轨维护卫星的概念。

以七个步骤，详细讲述了在轨维护卫星的工作方式。

以量化的细节，分析了在轨维护卫星的商业价值。

或者，商业价值可以总结为：

专业加注燃料、抛光太阳能帆板；专业加装新电池，修整天线外形；专业卫星空调加氟加氨；专业疏浚不通的入轨通道。

然后，小火箭给出了在轨维护卫星的军事应用场景和未来应用展望。

文末，小火箭用两句话总结在轨维护卫星：

哎呀！我们的卫星坏了，我去修理一下！

哎呦？敌人的卫星太坏了，我去修理一下！

本文来自微信公众号：小火箭（ID:  ixiaohuojian），作者：邢强博士，推荐大家关注小火箭微信公众号