太空110——拯救卫星

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1^# 大中小发表于 2007-11-9 12:46 只看该作者

太空110——拯救卫星

为了拯救那些因为没有燃料、技术故障或设计寿命到期的卫星能起死回生。人类一直在研究拯救卫星的计划。近年来，欧美国家的多套太空拯救计划出台，给卫星带来了福音。轨道快车、轨道康复者的太空技术，不仅对卫星有重大的意义，对人类太空活动具有深远的意义。卫星电视--17kws卫星电视论坛$ N0 p1 J0 t3 ]# W
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　　刘进军杭州卫星通信研究所
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　　1 概述一起看卫视论坛,卫星电视技术交流者的乐园,卫星电视节目参数查询,收看卫星电视节目请遵守国家相关法律法规,联盟网店客服150267575591 c; ~  f. C3 B* l5 D7 n  m) e0 ?
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　　卫星的寿命取决于卫星质量、卫星故障、星载燃料和太空风险，最大可能就是星载燃料耗尽。当通信卫星发生故障或轨道校正能源耗尽的时候，生命就走到了尽头。地球低轨上的卫星会降落，在大气层火热的拥抱中烧为灰烬；地球高轨上的卫星会偏离计算轨道，漫无目的地在太空中漂行，成为太空垃圾。如今后卫星发生故障、星载燃料耗尽，可以求助英国的“轨道康复者”，美国的“轨道快车”。它们是卫星的拯救者，是太空的“110”。卫星可以因此延长服务时间。
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　　2 轨道康复者
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　　轨道康复者(CX-OLEV，ConeXpress-OLEV)，CX轨道生命延续装置，又称为轨道康复卫星，是用于目标卫星的维修、康复的卫星。

* e4 V7 s+ l8 E2 F　　2.1 轨道康复者研发' O& O1 a* Q8 [) x# I" g+ ^0 P

　　2002年，位于伦敦的英国“轨道康复”公司开始设计、研制“轨道康复者”新型太空航天器，以救助因燃料耗尽而要报废的通信卫星和部分因发射、定位失败的卫星。一起看卫视论坛,卫星电视技术交流者的乐园,卫星电视节目参数查询,收看卫星电视节目请遵守国家相关法律法规,联盟网店客服15026757559! O; s* y& m$ f5 x' t& H- ?6 E

　　2004年，研制工作成功，新型航天救助飞行器的外形也有了巨大的变化，方案也更现实可行，许多部件的构造已经确定，运送飞行器进入太空的基本方式也确定。计划2007年进行首次飞行试验。轨道康复者正视如图2所示。轨道康复者救助卫星如图3所示。
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　　2005年初，轨道康复者开始建造。荷兰航天公司是CX OLEV研制和生产的主要合同商，轨道康复有限公司、瑞典航天公司、西班牙SENER公司和DLR 德国航空宇宙中心、Kayser-Threde等欧洲著名航天器公司参与研发。
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　　瑞典航天公司负责研制航天器遥测、跟踪和指挥分系统，并提供航天器载数据处理设计，以及地面站和CX OLEV任务运营。卫星电视--17kws卫星电视论坛$ i3 f$ [! V4 }; T, R! S0 _  m* J
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　　SENER公司负责研制CX OLEV的姿态和轨道控制分系统，包括机动阶段及目标航天器与CX OLEV对接之后的轨道和位置保持。如表1轨道康复者主要参数所列。4 y$ j% a8 w' _. x+ g5 s
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　　表1 轨道康复者主要参数

　　项目参数项目参数
4 X7 n6 J( {% i; M. |( X一起看卫视论坛,卫星电视技术交流者的乐园,卫星电视节目参数查询,收看卫星电视节目请遵守国家相关法律法规,联盟网店客服150267575595 G  W% c- A& p2 o
　　国家美国结构ConeXpress卫星电视,卫星电视论坛' k1 _8 @: r# h2 }; A  F
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　　任务在轨服务和维修推进离子引擎
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　　研发轨道恢复公司重量1200kg一起看卫视论坛,卫星电视技术交流者的乐园,卫星电视节目参数查询,收看卫星电视节目请遵守国家相关法律法规,联盟网店客服150267575590 {' R; L  _9 [% Q/ l
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　　承包商荷兰航天公司、轨道康复公司、DLR 德国航空宇宙中心6 b; k/ T" ?2 A- U2 X
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　　2.2 轨道康复者功能
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" K' A# q' G5 h! b　　现代通信卫星设备通常都配备非常充足的燃料资源，但也是非常有限的。燃料消耗量是许多卫星停止使用的最主要原因。轨道康复者方案通过这种航天救助飞行器的帮助，补充必要的能源，卫星寿命将能延长10年或更长时间，通信卫星常规寿命因而能增加1倍。轨道康复者被称为“垃圾”卫星的救星。如图4所示。
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　　2.3 轨道康复者构成
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; g0 m) Z$ X; U' O6 y8 t　　轨道康复者装配有电火箭离子发动机，以电离氙为工质，以太阳能电池为能源。它的外形就像一个截短的圆锥体，底部直径约2.6m，高约1m，顶部直径1.1m。由于轨道康复者的尺寸和形状与欧洲“阿利亚娜-5”火箭的有效运载接合器完全相同，因此，轨道康复者能以运载火箭和载荷间独特接合器的形式进入太空。如图5 轨道康复者构成示意图。轨道康复者的接合器构造如图6所示。
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　　2.4 轨道康复者工作原理www.17kws.com: L' b# r7 b" J( L

7 ^( O' A+ S# Q  a6 e　　轨道康复者进入近地轨道后，能自动沿低轨飞行，在光和雷达遥控系统控制下，谨慎地接近待救的通信卫星。每颗通信卫星重心中间部位，都有一个轨道远地点升力或轨道校正发动机喷口，由于能源燃料消耗完毕，这个小发动机也已经没有任何用处，正好可以用作轨道康复者和通信卫星的对接点，通过特殊接杆，使二者联接在一起。对接完成后，轨道康复者会为卫星提供能源，延长其使用寿命，同时校正卫星系统轨道，并借助自己的发动机，帮助卫星重新定向。组装中的轨道康复者如图7所示。
$ K) T. p9 W, V- f! ?7 L一起看卫视论坛,卫星电视技术交流者的乐园,卫星电视节目参数查询,收看卫星电视节目请遵守国家相关法律法规,联盟网店客服15026757559' r7 a$ {, c9 E% R
　　轨道康复者还可以救助那些报废已久的卫星，也能救治那些刚刚进入太空、因轨道计算不准确、运载火箭最后一级发动机或加速装置故障等原因而无法顺利进入轨道的卫星。
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　　CX-OLEV会在计算机和测距系统的帮助下自动地飞向目标卫星，并通过一种特殊的抓钩将偏离工作轨道的卫星与自己的一个主要发动机连在一起，然后把卫星拖回正确轨道。轨道康复者接近待救卫星如图8所示。轨道康复者救助卫星示意图如图9所示。轨道康复者与卫星对接示意图如图10所示。
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　　CX OLEV在投入使用以后可作为一种“轨道拖船”，可以为通信卫星提供导航、制导和推力，以使通信卫星在正常的燃料耗尽以后仍然能够在轨道上运行数年。8 \! Q, N; V3 d8 L. ?  Y. I

　　2.5 轨道康复者前景一起看卫视论坛,卫星电视技术交流者的乐园,卫星电视节目参数查询,收看卫星电视节目请遵守国家相关法律法规,联盟网店客服150267575594 X! M( ~) J* M0 L+ @9 z
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　　通信卫星的造价一般为2.5亿美元，通过轨道康复者多次延长寿命，费用比较低，比发射新卫星来替代要经济实惠得多。通信卫星救援是太空服务工作中一个新兴的庞大市场，有着非常好的前景。

　　据统计，到2011年，80多颗在上世纪80、90年代发射的通信卫星的寿命将要结束。它们会是轨道康复者的救助对象。轨道恢复公司目前已确定70多颗在轨通信卫星作为需用CX OLEV延长寿命的候选卫星。到2015年有超过100颗卫星将受到救助。一起看卫视论坛,卫星电视技术交流者的乐园,卫星电视节目参数查询,收看卫星电视节目请遵守国家相关法律法规,联盟网店客服15026757559% Y7 M: c; O7 @: v- _. |) ^3 l

  p) [+ T( \. i　　轨道康复者公司计划把一组轨道康复者送入不同高度的轨道，随时准备救助各种卫星。
& }2 K# _) ]) I1 k( k3 W一起看卫视论坛,卫星电视技术交流者的乐园,卫星电视节目参数查询,收看卫星电视节目请遵守国家相关法律法规,联盟网店客服15026757559; z) o9 ~, @) P3 F- `. X
　　3 轨道快车+ k% r" a. q  o, g+ t

　　2007年3月8日，美国在卡纳维拉尔角航天发射场成功发射一箭六星，其中包括一对“双胞胎卫星”，专门从事太空维修工作的卫星，被称为卫星拯救者的——轨道快车。
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　　3.1“美国空军宇宙探测计划-1”卫星电视--17kws卫星电视论坛, c3 v( J5 {: h% g$ }

6 i1 i6 x2 V  c" m& m3 r- v　　“美国空军宇宙探测计划-1”(STP-1 ，Space Test Program-1)，主要发射一系列探测卫星，进行多项太空测试。一箭六星是STP-1的一部分。轨道快车计划也是STP-1的一部分。  m; p; ~* b6 j1 p+ t+ S! k6 ?7 E
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　　轨道快车计划主要任务是实验修复卫星，进行各类仪器和技术的太空试验。演示自主卫星维修技术的水平。 : a5 }: |& o- O( }) U

　　轨道快车计划主要目的是延长各类卫星和航天器的使用寿命。" E# P, \3 A9 d, c9 h0 u5 O% r
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　　轨道快车计划有多种技术集成，有多套设计、实施方案。www.17kws.com9 h! [& Y9 q* y, C
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　　轨道快车计划由美国国防预先研究计划局(DARPA)组织；美国空军和美国国家宇航局共同实施；波音公司负责管理。
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　　轨道快车计划成员有美国国家宇航局(NASA)、鲍尔宇航技术公司(Ball Aerospace and Technologies Corp)、诺斯罗普·格鲁门太空技术公司、加拿大MDA公司、美国德雷珀实验室公司(Draper Laboratory Inc)和Starsys研究公司(Starsys Research Corp)。

, C. M# W2 L3 t; T4 _　　美国鲍尔宇航技术公司负责把轨道快车的有效载荷和NextSat货场航天器(NextSat/CSC)平台集成的工作。- T9 s* `7 d+ @: l5 K* ]( b' n
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　　2007年3月，轨道快车进行了一次太空修复卫星和捕获卫星试验项目。试验项目的轨道快车由太空运输机器人服务舱(ASTRO)和卫星轨道舱(NextSat/CSC)两大部分组成。卫星轨道舱的NextSat(未来星)在这次试验中充当、模拟故障卫星的角色。卫星电视--17kws卫星电视论坛( I9 U& a5 W  L; a# i

9 s0 A/ y9 H/ q) Z; [+ J　　3.2 轨道快车概述

　　轨道快车(OE，Orbital Express)是一种维修卫星的太空机器人，能自主交会和对接。对在轨卫星补给燃料、更换元件、升级设备的卫星。

　　DARPA的OE系统总重1800kg和高度大约2.5m。

　　轨道快车是双星配置，能单星运行和双星合作工作。卫星电视--17kws卫星电视论坛% V* @* h9 t' p5 {) M

　　轨道快车能自行变轨，灵活运动，不按固定轨道运行。
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　　轨道快车能捕获卫星和维护卫星。STP-1的轨道快车和NextSat集成如图11所示。卫星电视,卫星电视论坛( ~8 V6 N4 C, ?. K  L' i7 d1 u

　　3.3 轨道快车组成
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　　轨道快车主要由太空运输机器人服务舱(ASTRO)、卫星轨道舱(CSC)和在两颗卫星间交换燃料和轨道替换单元(ORU)，包含一块备用电池组成。太空中的ASTRO和CSC如图12所示。对接中的ASTRO和CSC如图13所示。

　　3.3.1 太空运输机器人服务舱(ASTRO)卫星
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　　是用于向卫星运输燃料、装置各类操纵器，以及在轨修复航天器的服务舱。
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　　(1)机器人系统(SPDM)：是ASTRO的重要部分。SPDM的机械手臂可任意旋转把握，以便抓住物件。SPDM的两个手臂是一样的，有7个关节。SPDM的机械手会根据不同情况使用各种工具，为故障卫星替换部件。常用的特别的工具储存在右侧。机器人机械手臂如图14所示。一起看卫视论坛,卫星电视技术交流者的乐园,卫星电视节目参数查询,收看卫星电视节目请遵守国家相关法律法规,联盟网店客服15026757559. d0 O, h* Z: h3 u+ G- A. B

- N. S# l+ w* Y% S3 N; U　　(2)ASTRO服务舱的操作系统：ASTRO服务舱重量约700kg，长度1.64m。它的服务功能是: 维修、燃料输送；与需维护卫星连接；加燃料、零部件替换；卫星的系统检验。ASTRO的操作系统如图15所示。
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　　(3)ASTRO主要参数：如表2所列。一起看卫视论坛,卫星电视技术交流者的乐园,卫星电视节目参数查询,收看卫星电视节目请遵守国家相关法律法规,联盟网店客服150267575593 t6 D3 F' a8 ]
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　　表2 ASTRO主要参数卫星电视--17kws卫星电视论坛5 e' K0 h/ y) y( \! _
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　　项目参数项目参数www.17kws.com3 ~. C- v2 M# e1 h& _
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　　国家美国承包商波音公司一起看卫视论坛,卫星电视技术交流者的乐园,卫星电视节目参数查询,收看卫星电视节目请遵守国家相关法律法规,联盟网店客服15026757559& ^- k% H  v- n( e

$ j% [: [& ~; f0 ?; A1 |3 J# O# Q　　技术太空修护技术重量700kg卫星电视,卫星电视论坛8 `( ~7 L$ O7 z, P- c5 h! g9 ?
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　　组织DARPA轨道450km╳450km, 38 ° 3.3.2 轨道舱(CSC)卫星$ |2 I3 z2 N6 E2 r2 B' G
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　　又称为维修/后勤卫星，是存储燃料、替补或升级的航天器零件的、充当轨道仓库的轨道舱。在2007年3月的实验中，CSC还充当了需维护“客户”航天器(NextSat)。卫星电视,卫星电视论坛0 N( o6 {+ A4 e' E( d0 b

　　CSC航天器平台的设计以鲍尔宇航公司建造的“深度撞击”的冲撞器为基础。ASTRO由波音公司建造。
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　　(1)CSC有效载荷：一个用于进行在轨补给燃料验证的流动传输系统；一个允许与维修航天器进行对接的适配器；一个用于卫星间通信的交联转发器。有效载荷224kg。CSC在飞行中如图17所示；& u7 K- I7 q3 x: @2 W* q  K: r4 [
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　　(2)CSC的操作系统：CSC使用标准化的组件和接口，按照“深度撞击探测器”的 Impactor 组件结构，包括BCP-2000 软件、指令和数据处理系统等。太阳帆板功率 >550(W, EOL)。太空船重量约 224kg、长度1m。CSC主要功能是运输、储存燃料、零部件等，执行协助维护故障卫星的任务；www.17kws.com2 d6 q& g6 \$ N  p

　　(3)CSC主要参数：CSC主要参数如表2所列。

　　表2 CSC主要参数) e% ]7 X8 {2 q

　　项目参数项目参数8 Z  l8 P" o/ [8 M
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　　国家美国承包商鲍尔宇航技术公司7 D9 Q  B0 Z1 {4 B8 i1 t+ M

$ {8 I6 a# K; a' g/ jwww.17kws.com　　技术太空修护技术重量224kg
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　　组织DARPA高╳宽1╳1m
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　　结构RS-300轨道450km╳450km, 38 ° 3.3 ASTRO和NextSat连接
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　　轨道快车(OE)在工作中，ASTRO和NextSat靠一套凹凸适配器装置连接。3 @8 {5 G1 f# U

　　NextSat是指未来星，未来将要维护的卫星。卫星电视,卫星电视论坛0 P  V8 ]5 E* Q2 m) y* |

: D5 N* \; b  D　　ASTRO和NextSat连接方案是ASTRO在到达目的地后，和NextSat交换连接信息，渐渐靠拢；NextSat伸出凸装置，ASTRO用凹装置接住、锁定。OE的ASTRO和NextSat连接方案如图18所示。
5 h5 i8 M* Y- X) h" Ewww.17kws.com一起看卫视论坛,卫星电视技术交流者的乐园,卫星电视节目参数查询,收看卫星电视节目请遵守国家相关法律法规,联盟网店客服15026757559  c: o; R1 B/ O; I$ {& \
　　3.4 连接适配器
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　　连接适配器(ESPA)是一套连接或分开结构的部件。ESPA 标准接口有6个圆孔和4个小圆孔。
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　　OE分离使用MLB分离制度，是协调渐进的方式，提供0.06～0.5 m/s 的分离速度(Δ V)。
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8 p) r' V8 H4 C6 F* R1 g　　卫星必须安装标准的ESPA 适配器装置。ESPA可将两个或多个卫星连接或分开。" }, D9 t0 l3 P& W, K" N  {
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　　3.5 轨道快车工作
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　　(1)轨道快车的两个航天器在一个层叠或成双的飞行结构下进行发射；一起看卫视论坛,卫星电视技术交流者的乐园,卫星电视节目参数查询,收看卫星电视节目请遵守国家相关法律法规,联盟网店客服15026757559$ W) J6 |% ]: u4 ?" F% J. h

　　(2)轨道快车进入太空后，ASTRO与CSC双星相连，相互交换有关数据；  c4 f3 J: G2 c

　　(3)到达目的地后，两星分离；
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　　(4)ASTRO捕捉需燃料或维修的故障卫星；
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　　(5)ASTRO一旦锁定故障卫星，CSC赶上ASTRO；一起看卫视论坛,卫星电视技术交流者的乐园,卫星电视节目参数查询,收看卫星电视节目请遵守国家相关法律法规,联盟网店客服150267575597 R! D0 P% x$ v. F/ a; u5 |7 n. @" E

5 \* b3 m2 c, s4 t" F) S　　(6)ASTRO伸出机器人手臂，将故障卫星拉到身边，替故障卫星补充燃料、更换电池板和其他零部件等；一起看卫视论坛,卫星电视技术交流者的乐园,卫星电视节目参数查询,收看卫星电视节目请遵守国家相关法律法规,联盟网店客服15026757559" s5 U" `0 S8 w8 ?' J2 V

4 @) m) Y9 T" K% D　　(7)CSC为ASTRO提供燃料、零件等。

6 b- V0 S6 ?# L( @0 }7 O- F　　(8)维护完毕，CSC和ASTRO合而为一。7 \8 G; f+ I0 w9 ^1 s
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　　ASTRO卫星与CSC卫星对接，使用激光传感器系统和专为NASA/轨道科学公司的自动交会技术研制的视频导航传感器(AVGS)。
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7 S, Z; B! _% q: i- w3 t　　3.6 轨道快车技术功能

　　3.6.1 轨道快车主要功能一起看卫视论坛,卫星电视技术交流者的乐园,卫星电视节目参数查询,收看卫星电视节目请遵守国家相关法律法规,联盟网店客服15026757559' o$ p" Q' V" l* w. p% ~+ F  j

　　(1)安全、协调、准确的操作和捕获系统；www.17kws.com6 p% u7 M) V! r7 |& u4 W) @
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　　(2)在轨工作能力，如燃料和零件运输、自主交会、对接、修复、重新定位、检测、安全脱离轨道和入轨装配、以及航天器在轨升级的能力。
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　　3.6.2 轨道快车主要技术

　　(1)自主运行系统与技术。从间距7~1000km以上的交会能力；卫星电视--17kws卫星电视论坛) U5 c- q) [) R* K4 c0 R0 e4 m; N
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　　(2)航天器载相关导航和制导系统；
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　　(3)机器人自动臂系统；: w  J0 y; i' K- [
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　　(4)机器人臂直接捕获航天器技术；

% c7 U+ ]8 L! r: y# ]7 S# ^$ c　　(5)米以下范围内的自主位置保持技术；' F- I* T7 G- I9 s2 R5 B
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　　(6)流体和零件运输技术；

　　(7)被动、无目标交会传感器系统与技术。
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　　3.7 轨道快车意义5 {* N9 X2 E% w% t# j
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　　(1)提高卫星的生存能力，延长卫星的寿命。卫星一旦燃料耗尽或发生严重故障，轨道快车卫星具有“自我维护与保养”和“相互维护与保养”的能力，从而可以大大提升与延长在轨卫星的生存能力与寿命；
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　　(2)极大提高卫星的侦察能力。轨道快车卫星能自行变轨，灵活运动，不需固定轨道运行；
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　　(3)能侦察和反侦察；能灵活回避对方的反卫星侦察，提升卫星的太空作战能力。卫星电视,卫星电视论坛' s/ C! K( [, [' A) C2 T6 G; t

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