随着人类空间科学探索活动的进一步深入、在轨航天器数量的不断增加，在轨航天器燃料不足以及设备老化问题常有发生。于是机器人在太空中的装配、服务和制造能力对于空间安全和可持续发展至关重要。近年来，与机器人在轨服务相关的新项目不断涌现。美国国家航空航天局(NASA)的OSAM卫星项目正是由此需求发展而来。

OSAM卫星项目简介

OSAM全称为“On-Orbit Servicing,Assembly and Manufacturing”，意为在轨服务、装配和制造。与传统生产制造模式相比，OSAM可以大大扩展航天器的性能、可用性、复原力和寿命。NASA的OSAM卫星任务分为两颗，分别是OSAM-1与OSAM-2。

OSAM-1卫星计划于2025年后发射，旨在使用机械臂为Landsat 7地球成像卫星进行轨道捕获与燃料加注工作，完成主要任务后，由麦克萨科技公司(Maxar Technologies)制造的空间基础设施灵巧机器人(Space Infrastructure Dexterous Robot，SPIDER)进行在轨组装与制造任务。

OSAM-1燃料加注与在轨组装任务示意图

OSAM-2卫星预计不早于2024年发射，正在开发与OSAM-1任务互补的技术。该卫星将在轨道上建造并部署一个替代太阳能电池阵列。在轨准备就绪后，OSAM-2将3D打印一个从航天器一侧延伸10米的横梁，完成后将来到航天器的另一侧打印一个延伸6米的横梁。

OSAM-2在轨打印任务示意图

OSAM-1核心能力

OSAM-1卫星的核心能力为三支机械臂，其中两支由NASA戈达德太空飞行中心制造，第三支由麦克萨科技公司制造。

前两支机械臂广泛继承了过去火星探测任务中机械臂的传统，该系统的设计在很大程度上利用了早期为美国国防部高级研究计划局(DARPA)“前端机器人技术”(FREND)项目开发的机械臂。

该系统设计还借鉴了先前NASA和DARPA在运动控制、机器人软件框架、柔性线束、力扭矩传感器、关节设计和飞行操作的经验。

该机械臂具有七个自由度——一个三轴肩部、一个肘部俯仰致动器和一个三轴球形手腕。其他功能包括手臂末端的六轴力/扭矩传感器，以及可传送数据、电源和视频的柔性线束。

该机械臂机动性高，非常适合于需要自主捕获和灵巧操作的任务——从抓取卫星进行在轨维修，到从旋转的小行星上捕获巨石，再到在轨道上组装和维修大型望远镜，或在火星上为宇航员设置工作场所。

该机械臂早期版本

由Maxar Technologies制造的SPIDER机械臂长5米，拥有7个自由度，以便进行在轨组装，它能够很好的适应航天器架构与新太空任务的灵活性弹性。

在完成燃料加注任务后，SPIDER机械臂将组装七个元件以形成一个功能齐全的3米通信天线，并制造一个10米长的轻质复合梁，验证其为未来任务建造大型航天器结构的能力。此外，SPIDER机械臂组装的天线还将展示与地面站的Ka波段传输。

SPIDER机械臂在轨组装与制造示意图

OSAM-2核心能力

OSAM-2卫星的核心能力为“建筑师”(Archinaut)技术套件，该技术套件由Redwire公司提供，将增材制造与机器人组装相结合，用于大型复杂结构的远程空间构造。

Archinaut通过以下四个步骤进行在轨增材制造。

Archinaut在轨增材制造四个步骤

Archinaut可应用于多种配置，提供多种功能：

1、扩大的太阳能电池阵列系统、显著提升其功率(是最先进技术所提供功率的5倍);

2、实施在轨燃料补充或再补给任务;

3、重新配置发射基础设施，将空间碎片变为价值资产;

4、扩展科学探索以及遥感任务天线;

5、重新配置平台结构;

6、使用大规模基线干涉测量法进行勘察探索;

7、为大卫星保留抛物面反射器和大孔径的阵列背板。

除核心的“建筑师”(Archinaut)技术外，NASA于2019年选择了Motiv Space Systems的xLink机械臂作为OSAM-2卫星任务的合作伙伴。一旦进入轨道，OSAM-2航天器将利用xLink机械臂帮助定位3D打印元件并负责太阳能电池阵列的组装任务。

xLink机械臂

项目进展

OSAM-1

2021年4月，NASA和Maxar Technologies成功完成了OSAM-1任务平台的关键设计审查(CDR)。这一里程碑表明，OSAM-1航天器平台设计的成熟度足以支持制造、组装、集成和测试的进行。2022年2月，OSAM-1航天器完成了整体的关键设计审查。后续Maxar Technologies将把航天器总线运送往NASA进行组件的集成和测试，为发射做好准备。

OSAM-2

OSAM-2的地面测试环节发生在 2016年至 2019年之间：2017年，该团队在模拟太空压力和温度条件的独特 NASA设施中成功地3D打印了结构梁并在热真空室中进行的测试证明了该打印设备可以在预期的空间压力和温度下工作。2018年，OSAM-2团队在完成了第二次热真空测试，该测试展示了使用机械臂在模拟空间环境中执行组装和制造能力。

2020年，Redwire公司展示了Archinaut技术能够在预期的轨道条件下成功打印长为7米的结构。2022年，Redwire公司通过了关键任务设计审查(CDR)，标志着设计阶段的结束以及飞行硬件构建和验证过程的开始。

未来展望

通过OSAM卫星项目，未来有望实现在轨部署、在轨捕获对接、助推与重新定位、碎片清除、维修升级、更换组件、燃料补给、在轨制造以及回收与再利用等一系列功能。

未来，该项目有望打破传统的航天器应用模式，为航天器的发射与运行开辟更多的选择空间，使太空操作更具弹性、效率和成本效益，帮助政府与私人企业更好的管理太空资产。