模塊化可重構(gòu)航天器將成為航天器發(fā)展新方向

賈平（中國航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院）

2018年12月，由美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）“鳳凰”（Phoenix）項(xiàng)目支持諾瓦沃克斯公司（NovaWurks）研制的“細(xì)胞衛(wèi)星集成技術(shù)試驗(yàn)”（eXCITe）衛(wèi)星搭乘獵鷹－9（Falcon－9）火箭發(fā)射進(jìn)入太陽同步軌道，以在軌驗(yàn)證“細(xì)胞衛(wèi)星”（Satlets）模塊化可重構(gòu)平臺(tái)兼容有效載荷的能力。此次試驗(yàn)將推動(dòng)模塊化可重構(gòu)航天器加速邁向工程應(yīng)用。模塊化可重構(gòu)航天器可快速裝配、在軌重組構(gòu)型和功能，將成為未來航天器發(fā)展的新方向，并用于快速響應(yīng)作戰(zhàn)需求。

1 模塊化可重構(gòu)航天器基本情況

模塊化可重構(gòu)航天器是平臺(tái)由多個(gè)外形尺寸相同、可被替換的模塊按任務(wù)需求組裝而成的航天器，可在軌重新組裝平臺(tái)，改變構(gòu)型和能力，以支持不同功能和性能的有效載荷。每個(gè)模塊集通信、控制、驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)功能于一體，具有一種或多種平臺(tái)子系統(tǒng)功能，可批量重復(fù)生產(chǎn)?！翱芍貥?gòu)”是指?jìng)€(gè)別模塊可拆卸更換，整個(gè)平臺(tái)也能完全拆解重組，且更換或重組后硬件和軟件能正常連接/聯(lián)接。模塊化可重構(gòu)航天器具有傳統(tǒng)模塊化航天器不具有的優(yōu)點(diǎn)：模塊構(gòu)型相同、通用性和互換性強(qiáng)，因而廢舊航天器模塊可被重新利用；可擴(kuò)展性強(qiáng)，可通過增加模塊增強(qiáng)性能；靈活性好，可隨時(shí)拆解和組裝，實(shí)現(xiàn)按需求調(diào)整構(gòu)型和功能，升級(jí)和維修更便捷。

模塊化可重構(gòu)航天器有以下幾種裝配和部署方式。一是在地面裝配后再寄宿在其他大型航天器上入軌并彈射部署；二是模塊被發(fā)射至“國際空間站”，由航天員裝配成航天器再釋放部署；三是模塊被發(fā)射入軌后由太空機(jī)器人裝配并部署。隨著自主技術(shù)等的發(fā)展，未來還可能實(shí)現(xiàn)不依賴外力，由各模塊自主機(jī)動(dòng)對(duì)接裝配而成。

模塊化可重構(gòu)航天器的關(guān)鍵技術(shù)包括模塊間的標(biāo)準(zhǔn)化接口設(shè)計(jì)；用于構(gòu)型和功能變換的智能控制技術(shù)；多模塊間通信、協(xié)同運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和控制等。

2 模塊化可重構(gòu)航天器發(fā)展情況

從21世紀(jì)初開始，美國、德國等開展了多項(xiàng)模塊化可重構(gòu)航天器研究，例如DARPA曾于2006年啟動(dòng)“具有快速、靈活、可分開和編隊(duì)飛行能力的未來航天器計(jì)劃”（簡稱F6，2013年已取消）。近年，DARPA資助的“鳳凰”和德國航空航天中心（DLR）資助的“用于在軌衛(wèi)星服務(wù)和裝配的智能建造模塊”（iBOSS）項(xiàng)目已開展或即將開展關(guān)鍵技術(shù)在軌驗(yàn)證。目前，這些研究主要在地面或利用太空機(jī)器人在軌裝配模塊，多數(shù)處于概念和關(guān)鍵技術(shù)研究階段。隨著自主技術(shù)、微納衛(wèi)星精確交會(huì)對(duì)接等技術(shù)的發(fā)展，模塊自主對(duì)接裝配將成為模塊化可重構(gòu)航天器的最先進(jìn)裝配形式。

“鳳凰”項(xiàng)目開展概念和關(guān)鍵技術(shù)在軌驗(yàn)證

DARPA從2011年開始通過“鳳凰”項(xiàng)目資助諾瓦沃克斯公司研究利用“細(xì)胞衛(wèi)星”裝配成“細(xì)胞衛(wèi)星”模塊化可重構(gòu)航天器，這種航天器平臺(tái)由多顆外形和尺寸相似的“細(xì)胞衛(wèi)星”聚合體靈活按需組裝而成?！凹?xì)胞衛(wèi)星”聚合體有2種，一種具有單一子系統(tǒng)功能，由多顆具有單一部件功能的“細(xì)胞衛(wèi)星”基礎(chǔ)模塊組成，例如姿態(tài)確定與控制“細(xì)胞衛(wèi)星”聚合體，由姿態(tài)傳感器基礎(chǔ)模塊和姿態(tài)執(zhí)行器基礎(chǔ)模塊組成；另一種具有全部子系統(tǒng)功能，由多顆同時(shí)具有2種或2種以上子系統(tǒng)功能的“細(xì)胞衛(wèi)星”基礎(chǔ)模塊組成。聚合體數(shù)量越多，平臺(tái)系統(tǒng)功能越強(qiáng)。目前，參與試驗(yàn)的聚合體“高度集成衛(wèi)星”（HISat）屬于第二種，尺寸在納衛(wèi)星級(jí)別?！凹?xì)胞衛(wèi)星”模塊化可重構(gòu)航天器可在地面裝配，也可在空間站由航天員裝配，未來還可由太空機(jī)器人在軌裝配。為驗(yàn)證“細(xì)胞衛(wèi)星”集成技術(shù)的可行性。

2015年底至2017年，航天員在“國際空間站”上手動(dòng)組裝了由6顆“高度集成衛(wèi)星”和有效載荷構(gòu)成的衛(wèi)星，并于2017年釋放進(jìn)行在軌測(cè)試。2018年3月，由4顆“高度集成衛(wèi)星”構(gòu)成的“有效載荷在軌交付衛(wèi)星”（PODSat）寄宿在一顆通信衛(wèi)星上發(fā)射入軌，隨后在188km×22250km軌道被釋放部署，驗(yàn)證“細(xì)胞衛(wèi)星”架構(gòu)容納新補(bǔ)充“細(xì)胞衛(wèi)星”硬件的可行性，并提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)。2018年12月，由14顆“高度集成衛(wèi)星”構(gòu)成的“細(xì)胞衛(wèi)星集成技術(shù)試驗(yàn)”衛(wèi)星進(jìn)入太陽同步軌道開展第3次在軌驗(yàn)證試驗(yàn)。此次試驗(yàn)衛(wèi)星的聚合體數(shù)量為歷次試驗(yàn)最多，平臺(tái)質(zhì)量155kg。

德國iBOSS 項(xiàng)目即將開展在軌驗(yàn)證

德國航空航天中心于2010年開始資助iBOSS項(xiàng)目，擬研究利用太空機(jī)器人將“智能模塊”立方體裝配成模塊化可重構(gòu)航天器。模塊邊長40cm，內(nèi)部可容納幾乎所有平臺(tái)子系統(tǒng)，3～6個(gè)面裝有力、熱、電和數(shù)據(jù)傳輸四合一接口，用于模塊間連接以及模塊與其他部件、子系統(tǒng)、航天器連接。該項(xiàng)目計(jì)劃2018年完成關(guān)鍵技術(shù)地面驗(yàn)證（至今未見已完成消息），計(jì)劃2020年進(jìn)行首次在軌驗(yàn)證。

美國開始探索不依賴外力的模塊自主對(duì)接裝配概念

近年，美國多家公司陸續(xù)提出利用多顆具有較強(qiáng)自主能力的模塊/小衛(wèi)星以在軌交會(huì)、逼近、對(duì)接方式裝配成航天器的概念，但大多處于概念設(shè)計(jì)階段。DARPA資助的“太空光學(xué)孔徑自組裝”（OASIS）項(xiàng)目計(jì)劃研究通過小模塊自主交會(huì)對(duì)接后裝配成孔徑大于5m的空間光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。重點(diǎn)研究標(biāo)準(zhǔn)模塊精確機(jī)械裝配、多目標(biāo)交會(huì)對(duì)接，以及模塊組件和系統(tǒng)自我測(cè)量校準(zhǔn)位置和裝配精度的技術(shù)。2016年，OASIS完成系統(tǒng)需求和初步設(shè)計(jì)評(píng)審，此后DARPA停止為該項(xiàng)目申請(qǐng)預(yù)算。2018年2月，美國航空航天公司（The Aerospace Corp）宣布正在通過“蜂巢”（Hive）項(xiàng)目研究利用智能單元模塊按需在軌自組裝成多種航天器平臺(tái)的可行性。模塊可能被做成立方體或蜂巢式的環(huán)狀，可執(zhí)行翻滾、跳躍、換位、爬升等動(dòng)作，便于相互對(duì)接。在軌交會(huì)對(duì)接后連接鎖定成航天器平臺(tái)，運(yùn)行時(shí)可互相傳遞電力、數(shù)據(jù)，并進(jìn)行熱傳導(dǎo)。2018年3月，美國國家航空航天局（NASA）資助系繩無限公司（Tethers Unlimite）開展“制造者衛(wèi)星”（MakerSat）項(xiàng)目，以驗(yàn)證小衛(wèi)星在軌自主對(duì)接裝配成大型航天器的可行性。

基于iBOSS項(xiàng)目在軌服務(wù)太空機(jī)器人和被服務(wù)航天器概念圖

“蜂巢”模塊自主對(duì)接裝配概念圖

3 幾點(diǎn)思考

與傳統(tǒng)航天器相比，模塊化可重構(gòu)航天器在設(shè)計(jì)、制造、部署和使用方式等方面都更具優(yōu)勢(shì)，將成為更快速、靈活、可靠和低成本響應(yīng)作戰(zhàn)需求，增強(qiáng)航天系統(tǒng)抗毀性的新型航天器。

模塊化可重構(gòu)某種程度上將變革航天器設(shè)計(jì)、制造、部署和使用方式

模塊化可重構(gòu)航天器具有如下優(yōu)勢(shì)：通過利用模塊搭建平臺(tái)，可靈活、快速地實(shí)現(xiàn)客戶和任務(wù)定制；通過批量制造、在軌組裝、替換、重構(gòu)、重復(fù)利用模塊，極大降低衛(wèi)星制造、部署、維修、維護(hù)和升級(jí)成本，縮短部署周期；通過分批發(fā)射模塊在軌裝配，不受火箭整流罩尺寸和運(yùn)載能力等對(duì)航天器的限制，催生超大型高性能航天器；廢舊航天器模塊被重復(fù)利用后，避免成為太空碎片。因此，在某種程度上，模塊化可重構(gòu)航天器被視為變革航天器設(shè)計(jì)、制造、部署和使用方式的新一代航天器。此外，其裝配方式將由地面裝配、航天員裝配向太空機(jī)器人裝配，再到模塊自主對(duì)接裝配方向發(fā)展，能進(jìn)一步提升航天器部署、維修和升級(jí)速度，并節(jié)約建造機(jī)器人的成本。

模塊化可重構(gòu)航天器能快速、靈活響應(yīng)作戰(zhàn)任務(wù)

傳統(tǒng)航天器設(shè)計(jì)、制造和部署周期長，即使采用模塊化設(shè)計(jì)，通常只能實(shí)現(xiàn)在地面快速制造，部署周期仍較長，且無法按需重構(gòu)和升級(jí)。航天器模塊可通過搭載其他發(fā)射任務(wù)，在和平時(shí)期送入軌道儲(chǔ)備；戰(zhàn)時(shí)，可根據(jù)不同作戰(zhàn)任務(wù)需求，選取在軌儲(chǔ)備的模塊定制成航天器，快速形成作戰(zhàn)能力；也可根據(jù)任務(wù)變化重構(gòu)或升級(jí)航天器，靈活、快速滿足新任務(wù)需求。

模塊化可重構(gòu)有助于增強(qiáng)航天系統(tǒng)抗毀性

一方面，可自行組裝和分解的航天器在遭遇太空碎片或來自其他航天器的攻擊時(shí)，能分散成模塊，并在威脅解除后重新組裝，從而實(shí)現(xiàn)自我防御；另一方面，模塊化可重構(gòu)航天器便于快速維修和維護(hù)，即使受到攻擊或自然損壞導(dǎo)致部分模塊失效，也能通過更換新模塊快速恢復(fù)系統(tǒng)功能。

需重視發(fā)展模塊化可重構(gòu)航天器并開展標(biāo)準(zhǔn)制定工作

為避免被實(shí)施技術(shù)突襲，在下一代航天器變革中搶占主動(dòng)權(quán)，需重點(diǎn)支持相關(guān)技術(shù)，包括用于裝配模塊的太空機(jī)器人技術(shù)等的發(fā)展。在航天器廣泛應(yīng)用前，及時(shí)制定模塊化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和機(jī)器人操作標(biāo)準(zhǔn)，以保障技術(shù)通用性和可推廣性，促進(jìn)技術(shù)可持續(xù)發(fā)展。