导语：误入歧途的两颗通信卫星被抛弃，但足智多谋的工程师在保险公司策划下力挽狂澜，两颗命硬的通信卫星实现了“两上两下再返岗”的奇迹！本篇介绍的是在如日中天的航天飞机时代，太空自由行走成就了一次前无古人、后无来者的太空抢救传奇行动！
1984年2月3日凌晨，挑战者号航天飞机执行41-B飞行任务升空，随着航天飞机频繁的在空地穿梭，对于民众来说航天飞机的发射盛况已产生审美疲劳，不再有万人空巷的效应，不过这次飞行中接踵而至的诡异失误，却让保险公司意外“拥有”了两颗卫星。这是航天飞机的第14次飞行，任务是发射两颗通信卫星。在航天飞机的货舱里面静静的躺着两颗卫星，一颗是西联公司的WESTARVI（下简称为西联星6），另一颗为印尼电信公司TELKOM的PALAPAB2卫星（下简称帕拉帕B2），这一对孪生兄弟卫星均为修斯公司HS376平台。由于航天飞机的轨道仅仅是近地轨道，要把通信卫星送入GTO轨道，也就是地球同步转移轨道，还需要一台靠谱的上面级，麦克唐纳·道格拉斯公司专为航天飞机研制了有效载荷辅助模块上面级（PAM-D），负责把卫星加速送入椭圆形的GTO轨道，下图1所示蛋形。
航天飞机入轨后不久，西联星6卫星就被弹簧举重若轻的推出航天飞机，在和航天飞机渐行渐远之后，按原定计划，几小时之后卫星下方的蛋形PAM-D上面级的固体火箭发动机开始工作，卫星被加速......
图1.1984年2月3日西联星6卫星从航天飞机货舱徐徐升起，奔赴工作岗位
然而该发动机过早的关机，西联星6卫星被送入了一个椭圆形转移轨道，其远地点高度1050公里远远低于地球同步转移轨道所需的35786公里。所谓祸不单行，三天后释放的第二颗卫星——印尼的帕拉帕B2的上面级发动机也过早关机，进入了和西联星6类似的错误轨道。靠卫星上的远地点发动机工作是无法定点在35786公里的静止轨道，两个通信卫星被抛弃在毫无用处的轨道绕地球旋转，成为太空垃圾！
一、保险公司“异想天开”的计划
事后的分析表明，PAM-D上面级STAR48B固体火箭发动机采用了碳碳复合材料喷管是罪魁祸首！碳碳复合材料好比是用碳制作的“钢筋混凝土”结构，钢筋是指的采用碳纤维编织而成的中空结构预制基体，混凝土指的是在这个结构中填充致密的碳，最后高温热处理形成一体的石墨材质，轻巧坚固而耐高温。但“填充混凝土”过程却是高技术含量，PAM上面级的喷管采用了碳气相沉积（CVD）工艺让碳氢化合物气体在高温下热解并将碳沉积在预制体的碳纤维周围和空隙中，然而在CVD过程中工艺出现瑕疵，先沉积的碳在“中空钢筋结构”堵塞了入口，后续气体无法向内部扩散，导致碳沉积不均匀，密度低的地方强度就弱，原本工作83秒，然而喷管在工作10秒钟之后就破裂！
图2.STAR48B的碳碳喷管成为事故的罪魁祸首
两颗卫星由伦敦劳埃德（Lloyd's）保险公司及多家再保险公司承保，面对这一灾难性的结果，保险公司支付了1.8亿美元，并按合同条款获得了两颗卫星的所有权，但卫星滞留在远地点约1000公里的轨道上，在这个轨道上的卫星实为太空垃圾！
正当劳埃德公司焦头烂额的处理理赔时，事情似乎引来了转机，1984年4月挑战者号航天飞机执行了首个卫星修复任务！SolarMax太阳观测科学卫星4年前发生故障，在这次修复任务中，在航天飞机机械臂协助下宇航员使用喷气推进背包将卫星带回挑战者号进行维修并再次释放，从而使SolarMax科学卫星恢复正常运行，挽救了耗资2.4亿美元的项目。
图3.41-C任务中宇航员纳尔逊和范霍夫滕捕获并维修SolarMax卫星
是不是可以依样画葫芦？用同样的手法从天上捞回这两颗卫星并通过航天飞机的货舱运回地面，翻新再出售这两颗卫星可以减少5000万美元的损失，在巨大的利益诱惑下，劳埃德公司开始游说美国政府让NASA承接从太空捞回卫星项目。对于NASA来说，救援行动比重新发射另外两颗替代卫星要贵，明摆着是亏钱买卖，但NASA想证明航天飞机可以提供出色的太空维修服务，无意中成就了一次前无古人后无来者的史诗般任务！
二、也不是不可能！
NASA和休斯公司开始研究对策，首先从卫星的特征开始入手，HS376卫星采用自旋稳定，上天之后以每分钟50转的速度保持姿态稳定，而通信天线和中继器被固定在反向旋转的消旋中继平台上，稳定对准地球。为了满足转发器的功耗，采用望远镜筒式的伸缩壳体，内外两层圆形壳体贴满太阳能发电的硅片，上天之后外壳体向下展开，让太阳能发电能力增加一倍；在休斯376卫星平台的肚子里面，还有一台远地点发动机，是瑟奥科尔（Thiokol）Star-30B固体推进剂火箭发动机，负责在远地点工作，把椭圆形的GTO轨道修圆并将倾角消为0度。
图4.休斯公司HS376卫星平台
工程师分析了一下劳埃德公司的诉求，要实现异想天开的惊人壮举也不是不可能，需要过五关斩六将，解决以下5个拦路虎：
障碍一：卫星要排雷！卫星上还留了个待命状态的远地点发动机，这种固体火箭发动机无异于装满烈性炸药的炸弹，航天飞机不搞危险品运输，对整个任务带来威胁的火箭发动机需要预先处置，便于下手。
障碍二：卫星要消旋！每分钟50转的卫星有巨大的转动惯量，需要预先消旋，便于对接捕获。
障碍三：要让两颗卫星进入同一个的轨道面，高度要合适，便于推进剂有限的航天能一次性带回两颗卫星。
障碍四：需要设计一个专用的卫星对接工具！休斯公司的这款卫星从未考虑要被回收，圆柱形卫星的侧面都是光溜溜的太阳能电池，似乎并没有什么把手或者吊环可以让宇航员直接捞回，需要设计专门工具能“抓”住并固定卫星。
障碍五：宇航员要有可机动的舱外宇航服！鉴于休斯376卫星难以把持的结构，需要给身着宇航服的宇航员配上太空机动力，通过专用工具对接卫星并带回航天飞机机械臂的工作范围，毕竟这个机械臂全部展开也仅有15.2米。
障碍一、二、三都可以在操作层面解决，核心是四、五。可谓败也萧何，成也萧何，让人哭笑不得的是在发射西联星6、帕拉帕B2的飞行任务中还有一项非常重要的工作——进行喷气推进背包（MannedManeuveringUnit，MMU）的首飞测试。喷气推进背包机动单元是一个136公斤的背包，尺寸为120x81x66厘米，由马丁·玛丽埃塔公司基于1975年天空实验室的ASMU（自动稳定机动装置）改进而成，两个装有11.8千克氮气的圆柱形储罐负责给24台7.56牛顿的氮气推进器提供动力，MMU配了两个旋钮控制，左右臂各一个，左边控制上下左右前后三轴移动，右边负责控制转动，由两组合计752瓦时的银锌电池供电。该背包与舱外宇航服搭配，合计重量约336公斤，地球上笨重，但上天之后在微重力环境下可身轻如燕。
图5.为宇航员在太空提供机动能力的氮气推进背包
宇航员布鲁斯·麦坎德莱斯（BruceMcCandless）在STS-41B任务中于1984年2月7日首次使用喷气推进背包离开了挑战者号航天飞机，飞出45米后返回，之后他又冒险飞到距航天飞机99米远的地方，成为一个人体卫星！麦坎德莱斯在太空的壮举成为当时轰动一时的新闻。
图6.太空自由行走成为当时轰动一时的大新闻，太空时代真的来了！
喷气推进背包在第一次试飞中表现非常出色，赋能宇航员不受束缚地飞行、进行卫星维修并返回航天飞机。喷气推进背包的第二次任务是刚刚提到的SolarMax卫星维修，虽说宇航员通过喷气推进背包捕获卫星的三次尝试都失败，但失败的原因是卫星的对接口上出现了一个20毫米直径、6.4毫米厚的垫片，导致专用工具对接失效，最后用航天飞机机械臂捕获，但整个方案上是可行的。
因此两颗卫星的拯救行动重心变成了设计专用工具固定卫星。考虑到卫星远地点发动机和卫星的结构固定紧密，可通过设计一个装置从喷管尾部插入并锁定，即可拖回航天飞机货舱！回收卫星就从卫星的远地点发动机入手，这个专用工具被称为远地点发动机捕获装置（ACD），宇航员戏称其为“毒刺”——一根1.5米长的长枪从前面突出，插入卫星远地发动机的喉部，扣动扳机可以释放倒刺卡住卫星，通过快速旋转紧张转盘卡住喉部实现“软对接”，然后操作扭矩扳手直至打滑达到预设的夹紧力，这样41英寸直径的对接环和卫星底座对接实现了“硬对接”。整套装置右侧还有一个航天飞机机械臂接口，对接咬合后可以拖回卫星。
图7.“毒刺“式卫星捕获专用工具
图8.把持毒刺进行训练的宇航员像不像太空骑士？
三、说干就干的太空捞“星”
由于喷气推进背包技术的成熟加上SolarMax卫星维修尝试，在劳埃德公司全力推进下，休斯公司成立了由首席科学家杰里·萨尔瓦多（JerrySalvatore）担任组长的回收卫星行动项目组，解决了障碍一、二、三！首先对西联星6进行了精密定位，并于5月12日对远地点发动机实施点火，将卫星抬升到高约1100余公里的近圆形轨道，消除了固体推进剂的爆炸隐患；四天后如法炮制，帕拉帕B-2卫星也进入了类似的近圆形轨道，但高度较西联星6高约80公里，萨尔瓦多及其团队借用地球引力摄动将两颗卫星的轨道平面重合。到8月初，使用卫星的姿控发动机将它们降轨，进入1050公里轨道，随后经过250次精心计算和精确执行的机动，两颗卫星的轨道高度进一步降低到350公里，并在同一轨道面上相距1050公里，使它们处于航天飞机工作的范围内，同时自旋的速度压降到2转/分钟。
11月8日，发现号航天飞机执行51-A任务升空，在完成Anik-D2、Syncom4-1两颗通信卫星的发射任务之后，于11月12日开始进行史上第一次卫星回收行动，航天飞机通过轨道机动靠近到离帕拉帕B2的10.7米范围内。宇航员约瑟夫·艾伦（JosephAllen）用喷气推进背包漂移到缓慢旋转的帕拉帕B2，看上去颇像冲锋在前的中世纪骑士！
图9.艾伦瞄准发动机喷管喉部插入毒刺
在逼近卫星底部的时候，强烈的阳光照在宇航员脸上，什么都看不清，艾伦操作非常困难，但随着越来越近靠近帕拉帕B2卫星，在卫星阴影之下艾伦立即看清远地点发动机，瞄准发动机喷管喉部开始插入毒刺，随着越插越深艾伦扣动扳机顺利打开了倒刺！在“硬对接”后，喷气背包反方向喷射让544千克重的卫星慢慢的停止转动束手就擒。在中性浮力室的辛苦训练并没有白费，艾伦非常漂亮的“逮”住了这颗大卫星！
但工作并没完，回收的卫星需要牢牢固定在航天飞机货舱，以便在回程路上不上窜下跳惹事，但目前卫星底部被“毒刺”占位，因此需要卸下“毒刺”以便于装上和货舱匹配的适配器，这个过程中需要一个新的固定点。原计划是在帕拉帕B-2顶部剪掉碍事的全向天线，安装一个“A”形固定箍让航天飞机机械臂牢牢握住，宇航员再卸下底部的“毒刺”，装上和货舱匹配的适配器。按照这个计划，艾伦卸下喷气推进背包，把自己固定在航天飞机机械臂末端的踏板，配合另一名宇航员戴尔·加德纳（DaleGardner）着手安装卫星顶部固定架。但他们遇到了一个意外的插曲，卫星顶部抛物面天线的波导管比预期的突兀，“A”形固定箍无法安装。幸亏在拯救方案中还有B计划——人肉把持固定！身高仅1米68的艾伦，据称是最矮的男宇航员用双手抓住帕拉帕B2卫星的顶部天线并保持稳定，成为有史以来第一个抓举1200磅重的通信卫星的人！另一位宇航员加德纳在卫星尾部安装适配器。
图10.艾伦用双手抓住帕拉帕B2卫星的顶部天线并保持稳定，加德纳在卫星尾部安装适配器
图11.艾伦用双手抓住帕拉帕B2卫星的顶部天线并保持稳定，加德纳在卫星尾部安装适配器
加德纳花了90分钟用手拧紧适配器边上9个螺栓固定卫星，然后两名宇航员将帕拉帕B2转移到航天飞机货舱，并用固定闩锁将其固定到位，第一颗卫星拯救成功！
发现号航天飞机于11月16日凌晨4点降落在佛罗里达州的肯尼迪航天中心，圆满完成了雄心勃勃的历史性飞行任务！航天飞机有效载荷舱中的两颗卫星惊喜的回到了地球。
图13.回到地球的航天飞机货舱里分别是AnikD2的空托架、帕拉帕B2和西联星6
四、后记
最终西联星6被出售给1988年2月24日成立的亚洲卫星公司（Asiasat），更名为亚洲一号卫星（AsiaSat1），并于1990年4月由中国的长征三号火箭送入轨道。与此同时，帕拉帕B2被保险公司几经周折卖回了印度尼西亚，该卫星更名为Palapa-B2R，于1990年4月成功地使用Delta-6925-8火箭重新发射。两颗命硬的通信卫星实现了“两上两下再返岗”的奇迹！
但最终NASA认为航天飞机有比预期更好的机动性，减少了对喷气推进背包的需求，喷气推进背包仅在1984年的3次航天飞机任务中使用过，之后就一直坐冷板凳直到退休，布鲁斯·麦坎德利斯首飞用过的背包挂在史密森尼博物馆，另一个背包安置在阿拉巴马州亨茨维尔的NASA马歇尔太空飞行中心，两个背包被封存以备不时之需，毕竟这个装备在太空军事斗争中还是有可用之处的，但随着航天飞机的退役，奇迹般的太空捞星已成前无古人后无来者的壮举！
——全文完——
我，一个孤独的行者（新浪微博ID:超超级Loveovergold），原文刊登于《航天员》杂志2022第二期，请大家多多支持《航天员》杂志！