美国宇航局的戈达德1号在轨服务、组装和制造 (OSAM-1) 太阳模拟器项目

戈达德太空飞行中心的 OSAM-1 任务

美国国家航空航天局 (NASA) 是美国国家航空航天局 (NASA)，是美国的民用太空计划，它的名字在无数科幻故事和电影中被随意使用。然而，它们使成为可能的东西远非虚构。通过其20 个中心和设施，NASA 探索、发现和扩展人类知识，同时与联邦预算相比产生了可观的经济产出。自1958 年成立以来，NASA 的工作已经产生了常见的衍生技术，例如照相手机、防刮镜片和婴儿配方奶粉。

图片来源：NASA www.flickr.com/photos/gsfc/46385281411/

NASA 最重要的设施之一是NASA 的戈达德太空飞行中心，该中心以现代火箭推进之父的名字命名，成立于 NASA 历史早期（1959 年）。戈达德太空飞行中心容纳了美国最大的科学家、工程师和技术人员，他们建造航天器、仪器和技术来研究外层空间。戈达德位于华盛顿特区郊外的马里兰州格林贝尔特，负责哈勃望远镜的操作和詹姆斯韦伯太空望远镜，以及管理空间通信和寻找宇宙最深奥秘的答案，并建造沿途所需的任何仪器和技术。

它的任务已经研究了火星的大气层、太阳的活动，以及我们自己星球的气候状况。每项任务都是一项重大任务，需要多年的协调努力。

图片来源：images.nasa.gov/details-GSFC_20171208_Archive_e000542

OSAM-1代表在轨服务、组装和制造，就是这样一项任务。为了开发提高各种卫星（即使是那些不是为轨道服务而设计的）预期寿命所需的技术，OSAM-1 机器人服务员需要证明它可以成功地捕获、补充燃料并在轨道上移动卫星. 除了为卫星加油外，OSAM-1 还将组装通信天线并制造波束，以展示组装和制造能力。OSAM-1 计划于 2026 年发射，如果成功，预计将有助于建立一个服务行业，为全球卫星车队运营商提供更大的灵活性和效率，这可能有助于减少日益严重的轨道碎片问题。

图片来源：nexis.gsfc.nasa.gov/OSAM-1.html

太空可能看起来无限，好，宽敞，但它拥挤到太空发射可能变得极其困难的地步。轨道继续从无功能的航天器、废弃的运载火箭级、与任务相关的碎片和碎片碎片中收集太空垃圾。再加上这些轨道碎片，来自SpaceX 星链星座和不断扩大的CubeSat 产业的卫星数量越来越多，你就会遇到一种被称为凯斯勒综合症的灾难性级联效应变得越来越可能的情况。

图片来源：www.nasa.gov/centers/wstf/site_tour/remote_hypervelocity_test_laboratory/micrometeoroid_and_orbital_debris.html

前 NASA 科学家唐纳德凯斯勒在1978 年的一篇题为“人造卫星的碰撞频率：碎片带的形成”的论文中提出了他的同名想法。凯斯勒综合症描述了碰撞如何产生轨道碎片，从而增加进一步碰撞的可能性，并产生不断增长的碎片带，这将影响未来的航天器设计并最终阻碍人类在太空中的活动。我们在太空中的活动可能成为最重要的长期碎片来源，远比天然流星体来源更糟糕。

美国国家科学院在分析了六个航天机构的数据后估计，灾难性碰撞很可能每五到九年发生一次。诸如为OSAM-1 任务开发的技术可以在更好地管理人类在轨道上的足迹和减少此类碰撞和级联的可能性方面发挥重要作用。它们可以帮助减轻国际空间站在 1999 年至 2021 年间进行的 29 次碎片避免演习中的一些需求。它们可以让我们帮助清理大约3,000 颗仍在轨道上运行的无功能卫星。

OSAM-1 独特的客户端停泊系统将首先用于与政府拥有的 Landsat 7 卫星会合。OSAM-1 的对接方法将由摄像头引导，实时捕捉和处理图像，以创建两颗卫星相对位置的“姿势”。对接将完全自主完成。对接后，OSAM-1 将借助其工具在 Landsat 7 上“运行”，两艘航天器之间保持约 1 米的狭窄间隙。OSAM-1 任务的维修和加油方面包括一个漫长的时期，在此期间，OSAM-1 和 Landsat-7 将处于停泊配置，OSAM-1 接管飞行控制。

图片来源：Maxar Technologies www.nasa.gov/image-feature/goddard/2021/nasa-s-on-orbit-servicing-assembly-and-manufacturing-1-mission-ready-for-spacecraft

OSAM-1 任务的所有阶段都很复杂，需要大量的设计和验证。要使 OSAM-1 最终成功完成为 Landsat 7 加油并展示太空组装和制造的任务，它必须首先在地面上进行测试。

“你必须在飞行时测试，在测试时飞行。自从哈勃计划以来，我们就已经深入了解了这一点。”

挑战

飞行前必须模拟的空间环境的主要方面之一是太阳的辐照度。与硬辐射和真空中极端温度波动的影响相比，阳光的影响似乎微不足道。

然而，对于某些任务，阳光的影响对于决定成败至关重要。

过去一项最初忽略阳光的任务是RRM 第 1 阶段（机器人加油任务）。操作员需要远程控制加拿大 Dextre 机器人，以使用四种工具来完成诸如打开燃料阀和通过软管输送液体等任务。对于 RRM 的第一阶段，目的是让 Dextre 抓住一个大约 1 立方米的盒子，在那个盒子上做一些工作，然后拉开。

图片来源：nexis.gsfc.nasa.gov/robotic_refueling_mission.html

然而，当 NASA 操作员打开以太阳为背景的 RRM 模块灯时，他们的视野变白了。无论是他们的照明系统还是太阳都向可视化相机发送了反射，有效地使操作员对正在发生的事情视而不见。

NASA 显然希望在未来的任务中避免这个问题。对于 OSAM-1，最初的任务计划是在所谓的“日食”中运行——即没有阳光照射。在每 90 分钟的轨道周期中，该团队将有 20 分钟的时间在黑暗中执行操作。机器人的一些任务可以在随后的 70 分钟阳光照射下自动完成。

这是几年前最初的概念，当时 OSAM-1 被称为Restore-L。然而，该任务的范围扩大了（这促使更名），2020 年 12 月的发射日期被推迟到 2026 年。

不幸的是，Landsat 7 卫星客户端的轨道正在面临退化并偏离其极地低地球科学轨道的问题。这种退化将持续到 OSAM-1 会合点。到 2026 年，Landsat 7 的轨道将发生变化，整个时期都将处于充足的阳光下。科研团队意识到他们将在阳光下运行，所以必须使用太阳模拟器进行测试，以避免遇到类似于RRM第1阶段遇到的问题。

该团队需要两个大面积太阳模拟器来全面测试任务的不同方面。OSAM-1 与 LandSat-7的对接方法将由摄像机引导。在地面上，OSAM-1团队拥有Landsat 7卫星的全尺寸模型。他们需要第一个太阳模拟器来照亮整个装置以预测OSAM-1的摄像机将看到的内容，并准确排练整个对接操作。

第二个太阳模拟器将用于任务的第二阶段，其中OSAM-1在Landsat 7上“运行”超过1米的间隙。在这种配置中，从侧面射入的阳光将创造一个独特的照明环境，需要对其进行适当的模拟才能对操作进行全面排练。

因为这两个阶段具有明显不同的配置，所以不能采用相同的太阳模拟器。因此，美国宇航局戈达德的试验团队着手采购两台大面积、精确的太阳模拟器。

小面积的大挑战

OSAM-1 团队需要照亮一大片面积，大约 14 英尺长的公共汽车，以匹配 Landsat 7 的尺寸。人造太阳照明需要在强度上保持一致，以使整个照明平面的辐照度变化最小：即他们需要把目标面积内的辐照度保持在严格的规格范围内。

实现均匀强度的最简单的办法是使光源远大于目标面积。然而，众所周知，飞上太空的部件却是越小越好。

因此，OSAM-1 团队面临的第一个挑战性问题是在最小化光源面积的情况下保持光照均匀度。

低发散角

太阳模拟解决方案的第二个关键参数是低发散角。阳光的角度大部分是准直的（即光线是平行的），因为光线必须经过很远的距离才能到达我们的星球。由于航天器各个部分的表面反射在很大程度上取决于入射角，因此 OSAM-1 团队希望确保他们获得能够充分复制这些反射的光源，以便他们了解相机可能会饱和的情况或被杂散反射“变白”。如果有一个具有广泛发射角度的太阳模拟器，那么反射不仅会更暗，而且发生的几何形状也会明显不同。最后，如果没有低发散太阳模拟器，相机接收角度会引入更多复杂性，最终测试的有效性也要打个问号。

匹配相机光谱响应度

OSAM-1的可见相机具有三个通道，分别为红色、绿色和蓝色(RGB)。该团队需要确保他们的相机通道针对外太空中的预期光谱( AM0 )进行准确表征，以此确保能够在预期光的全动态范围下的可视化对接操作。因此，他们需要一个太阳模拟器来再现其探测器光谱响应的预期光谱和功率 (AM0)。

最小化热负载

OSAM-1的所有预期测试工作都需要在洁净室内进行，在这种环境中，对现有 HVAC空调基础设施进行更改的成本很高。为模拟器提供多大的电力供应和模拟器的副热量情况都是需要考虑的重要问题。

“我使用太阳能模拟器的经验是，我们通常最终需要提供较大的电力供应和处理大量的副热量。”

因此，OSAM-1 团队需要一个太阳模拟器解决方案，以最大限度地减少功耗和副热量。

降低成本

最后，对OSAM-1项目还要求尽可能降低成本。虽然OSAM-1团队不想在太阳模拟器的质量上妥协，但他们也不想超出预算。

解决方案

OSAM-1团队开始对光源供应商进行市场调查。

“我们研究了氙灯光源，但考虑到体积、质量和功率限制，我们很快认为只有LED光源才可能提供最佳解决方案。

G2V 拥有能够满足我们需求的现有产品线、对我们需求的理解深刻以及具备深厚的技术储备，我们对他们有信心。”

“G2V 是在产品和系统工程学方面脱颖而出的公司之一，能够提供满足我们要求的定制光照解决方案。”

经过深入研究，NASA 选择 G2V 作为其太阳模拟器的承包商，原因有很多，接下来会讨论。总体而言，G2V 具有独特的定位，具有通过结合两条现有产品线为 NASA 构建解决方案的专业能力。

G2V 定制灯条以满足 NASA 的特定要求，图中正在准备装运。

多源太阳模拟器，以最大限度地少走歪路

传统的气体放电灯源，例如氙弧灯和金属卤化物灯，通常使用单个大功率灯泡来产生照明。为了在这些情况下实现均匀的光束，最简单的方法是拥有一个非常大的照明区域，并且只使用一个小的子集作为均匀区域。一旦添加了多个灯泡（此应用程序可能需要这些灯泡），就更加应该采用这个办法了，因为准直光学器件不能有效地组合光源，除非您将其中的许多光源紧密排列在一起。

拥有如此大的灯泡源也意味着使用非常大且非常昂贵的准直光学器件来尝试控制角度扩散。因此，要达到目标照明面积和低发散角度的要求，传统的气体放电灯会非常大且非常昂贵。

用于实现 NASA 的发散性和均匀性要求的透镜和LED

G2V的解决方案是使用基于发光二极管的专有 Engineered Sunlight® 技术。该技术由软件控制，并且更容易形成均匀的辐照场，而不需要明显大于所需光照面积的超大面积光源。一旦把光源面积控制下来，准直光学器件的成本就随之降低，从而把太阳模拟器控制在合理尺寸，同时最大限度地降低成本。成为了高技术含量和低成本的两全其美的方案。

有效减少副热量的 LED 技术

LED的转化效率远高于传统的气体放电灯泡，这意味着产生太阳辐照度所需的总功耗要低得多，额外散发的热量也低得多。使用 LED 解决方案，给NASA同时解决了“低功耗”“低产热”这两个问题。

可调LED精确匹配光谱

通过使用 LED 和先进的软件控制，G2V 能够调整输出光，以更好地匹配 NASA 模拟空间 (AM0) 试验平台的精确光谱要求。

“[G2V] 开发了一个系统，让我们可以操纵和关闭LED，这样我们就可以准确地自定义我们想要呈现的太阳光。这非常棒。使用其他太阳能模拟器，只有打开的关闭，而没有可调光谱。[G2V系统] 是可编程的，这对我来说非常有用。”

有针对性地降低成本并提高安全性

G2V的LED还可以针对OSAM-1的可见光相机和传感器输出所需波长的光谱，减少了整体硬件数量和成本，更不用说减少电力负载了。

拥有更有针对性的光谱也有利于运营。   

“在以前有辐射的情况下，我们必须采取保护措施，而限制了可以进入测试区域的人数。”

氙灯太阳模拟器的紫外线发射意味着人会因为靠近光源而被晒伤。因为它们的光谱是固定的（除非加装过滤器），紫外线照射是一个持续的危险。

然而，使用 G2V 的LED，紫外线发射不再是一个问题。剩下的主要安全问题只是眼睛安全，这样许多人就可以呆在同一个房间里，而只需要几个窗帘和防护眼镜，从而最大限度地减少NASA对洁净室的供应量。

G2V 组装的灯条阵列视图，将在 NASA-Goddard 的最终机械支架中使用

交付和调试

G2V用于OSAM-1的LED太阳模拟器已交付给NASA Goddard，正等待2022年初的调试：配置三个灯条阵列，获得总计约14平方米的太阳模拟器有效光照。

G2V 和 NASA 对调试后的太阳模拟器测试工作表示高度评价。预计太阳模拟器不仅将为OSAM-1项目服务4年，而且也将在未来的任务中发挥作用。例如，美国宇航局的Artemis阿尔忒弥斯计划的许多方面将涉及地球和月球轨道上更大规模的行动，使用航天级的太阳模拟器进行地面测试工作是非常宝贵的。

图片来源：nexis.gsfc.nasa.gov/osam-1.html

OSAM-1任务还有很多工作要做。它的成功不仅意味着可以更好地处理太空垃圾，而且还可能成为进一步发展的基石，例如太空大规模组装、空间站组装和月球基地组装，所有这些都可能需要大量的太阳模拟实验来支持。

就这个项目而言，两个团队都可以为他们的工作感到自豪，最终通过为OSAM-1的独特需求提供了航天级的太阳模拟器解决方案而划上句号。

“在设计期间，[G2V]工程师非常积极地了解我们的需求，并最终找到解决方案，以最好地满足这些要求，同时最大限度地降低成本、重量和功率。”

“我喜欢与 [G2V] 合作。[他们] 作为供应商，反应非常迅速。我们不会等待数周才能得到回复，而是往往在数小时或一天内得到答案。”