國外無人在軌服務(wù)和模塊化可重構(gòu)航天器發(fā)展分析

賈 平，劉 笛

（中國航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院，北京 100048）

1 引 言

近年來，國外無人在軌服務(wù)航天器和模塊化可重構(gòu)航天器發(fā)展勢頭強(qiáng)勁，多國陸續(xù)開展了多次地面和在軌試驗。模塊化可重構(gòu)航天器的設(shè)計和制造方式相比傳統(tǒng)航天器更便于無人在軌服務(wù)航天器進(jìn)行在軌維修、裝配和升級等操作。兩者協(xié)同發(fā)展，有望變革航天器的設(shè)計、制造、部署和運用方式，對于增強(qiáng)軍事航天能力等具有重要意義。

無人在軌服務(wù)航天器通常裝有機(jī)械臂等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，具有一定自主能力可在太空中自由飛行。按任務(wù)類別可分為具有推進(jìn)劑在軌加注、機(jī)械維修、輔助變軌等功能的服務(wù)保障航天器，在軌制造航天器以及太空碎片移除航天器。模塊化可重構(gòu)航天器由多個外形尺寸相同的模塊按任務(wù)需求組裝而成，可通過軟件或硬件方式在軌增減模塊改變平臺構(gòu)型和能力［1］。模塊化可重構(gòu)航天器有以下幾種裝配方式：一是在地面裝配；二是由國際空間站上的航天員裝配；三是由在軌服務(wù)航天器裝配。隨著自主技術(shù)等的發(fā)展，未來還可能實現(xiàn)不依賴外力，由各模塊在軌自主機(jī)動對接裝配而成。

無人在軌服務(wù)航天器自20世紀(jì)80年代興起，經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，已陸續(xù)開展多次在軌試驗。美國國防預(yù)先研究計劃局（DARPA）曾于21世紀(jì)初啟動具有快速、靈活、可分開和編隊飛行能力的未來航天器計劃（F6計劃），為后續(xù)可接受在軌服務(wù)的模塊化可重構(gòu)航天器發(fā)展儲備了技術(shù)基礎(chǔ)［2］。2010年左右，美國和歐洲啟動協(xié)同發(fā)展在軌服務(wù)和模塊化可重構(gòu)航天器的項目。DARPA于2011年啟動鳳凰計劃，旨在驗證通過無人在軌服務(wù)航天器將靜止軌道退役衛(wèi)星上的天線與新型模塊化可重構(gòu)平臺在軌裝配成新衛(wèi)星的技術(shù)。在DARPA2015財年預(yù)算中，鳳凰項目被拆分為新鳳凰和地球同步軌道衛(wèi)星機(jī)器人服務(wù)（RSGS）兩個項目，新鳳凰僅保留原鳳凰的前期階段，致力于研究模塊化可重構(gòu)航天器。RSGS是原鳳凰的后期階段和拓展，主要研發(fā)在軌服務(wù)航天器。拆分后的兩個項目各自發(fā)展在軌服務(wù)航天器和模塊化可重構(gòu)航天器，更有利于項目管理和集中資源分別促進(jìn)兩類技術(shù)發(fā)展［3］。2010年，德國啟動用于在軌衛(wèi)星服務(wù)和裝配的智能建造模塊（iBOSS）項目，研究在軌服務(wù)航天器，以及用其將智能模塊立方體裝配成模塊化可重構(gòu)航天器的技術(shù)［4］。

2 無人在軌服務(wù)航天器發(fā)展現(xiàn)狀

美國是無人在軌服務(wù)航天器發(fā)展最先進(jìn)的國家，歐洲和日本次之。這些國家發(fā)展的種類覆蓋在軌服務(wù)保障、在軌裝配和太空碎片移除各類。俄羅斯曾利用小衛(wèi)星進(jìn)行在軌交會與逼近技術(shù)試驗，并開展少量太空碎片移除技術(shù)研究項目，為研制無人在軌服務(wù)航天器儲備了技術(shù)基礎(chǔ)。

2.1 美國服務(wù)保障航天器處于在軌驗證階段，在軌制造航天器是近年發(fā)展重點

美國于2007年通過軌道快車項目，在近地軌道初步開展針對合作目標(biāo)的在軌模塊更換、在軌加注技術(shù)演示驗證。此后發(fā)展了多個用于推進(jìn)劑在軌加注、在軌維修、輔助變軌，且針對具有部分非合作特性目標(biāo)進(jìn)行操作的服務(wù)保障航天器，多個項目將于2020年左右開展在軌試驗。其中，在軌加注航天器處于關(guān)鍵技術(shù)在軌試驗階段：機(jī)器人推進(jìn)劑加注（RRM）近年已利用空間站機(jī)械臂和安裝在站外的模擬衛(wèi)星開展多次關(guān)鍵技術(shù)試驗［5］；復(fù)元-L（Restore-L）在2019年完成平臺關(guān)鍵設(shè)計評審，計劃2022年進(jìn)行在軌試驗［6］。輔助變軌機(jī)器人有望率先實現(xiàn)商業(yè)化運營：任務(wù)擴(kuò)展飛行器（MEV）于2017年完成“交會、逼近操作與對接”系統(tǒng)的初始設(shè)計評審，計劃2019年發(fā)射并提供商業(yè)服務(wù)［7］。此外，具有在軌維修、輔助變軌及安裝附件有效載荷功能的RSGS項目已于2018年完成有效載荷初始設(shè)計評審，計劃2023年前開展在軌試驗。

服務(wù)保障航天器的快速發(fā)展為美國近幾年著力發(fā)展在軌制造航天器儲備了較多技術(shù)基礎(chǔ)。蜻蜓（Dragonfly）、大型結(jié)構(gòu)系統(tǒng)太空裝配（SALSSA）、太空建筑師（Architect）等項目分別從安裝衛(wèi)星部件、大型結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)制造與裝配一體化等不同角度發(fā)展在軌制造和裝配能力，目前多處于系統(tǒng)地面驗證階段［8］。Dragonfly、Architect項目都有望在2020年開展在軌驗證。

圖1 MEV在軌服務(wù)概念圖Fig.1 The concept of MEV

表1 美國重點在軌服務(wù)項目Table 1 Key on-orbit servicing programs of USA

此外，美國政府和軍方很少自行開展太空碎片移除航天器和技術(shù)研究，主要通過資助私營企業(yè)開展前期研究工作，進(jìn)展不顯著。

2.2 歐洲太空碎片移除技術(shù)率先開展在軌驗證，輔助變軌服務(wù)和在軌制造航天器并行推進(jìn)

歐洲太空碎片移除技術(shù)發(fā)展世界領(lǐng)先，太空碎片移除（RemoveDebris）項目分別于2018年和2019年率先完成飛網(wǎng)和飛叉捕獲模擬太空碎片的在軌驗證。

歐洲多個在軌服務(wù)項目僅在進(jìn)行了初步概念設(shè)計或地面演示驗證后即被終止。原計劃2018年在近地軌道驗證在軌加注、在軌模塊更換、太空碎片移除技術(shù)的綜合性在軌服務(wù)項目——德國軌道服務(wù)任務(wù)（DEOS）也被取消。但這些項目已儲備諸多關(guān)鍵技術(shù)。目前，歐洲正在開展的在軌服務(wù)航天器研究項目以太空雄蜂（Space Drone）為主，主要用于輔助變軌，計劃2020年發(fā)射［9］。

此外，德國用于在軌衛(wèi)星服務(wù)和裝配的智能建造模塊（iBOSS）在軌制造航天器項目已開展多年，在2018年開展了關(guān)鍵技術(shù)地面試驗，有望在2020年進(jìn)行在軌驗證。

圖2 太空雄蜂在軌服務(wù)概念圖Fig.2 The concept of Space Drone

表2 歐洲重點在軌服務(wù)項目Table 2 Key on-orbit servicing projects of European

表3 日本重點在軌服務(wù)項目Table 3 Key on-orbit servicing projects of Japan

2.3 日本服務(wù)保障航天器率先開展在軌試驗后多年未見顯著進(jìn)展，太空碎片移除技術(shù)是當(dāng)前發(fā)展重點

日本的工程技術(shù)試驗衛(wèi)星-7（ETS-VⅡ）項目于1997年發(fā)射入軌，是世界首個開展在軌試驗的在軌服務(wù)航天器。ETS-VⅡ?qū)υ诘蛙壍肋\行的合作航天器進(jìn)行在軌模塊更換等操作技術(shù)進(jìn)行了在軌驗證。在ETS-VⅡ之后提出的軌道維護(hù)系統(tǒng)（OMS）、可重構(gòu)機(jī)器人衛(wèi)星簇（RRSC）項目研究針對高軌非合作目標(biāo)進(jìn)行多種在軌操作能力的航天器，但多年來一直未見詳細(xì)進(jìn)展情況［10］。

近年來，日本重點發(fā)展太空碎片移除技術(shù)：利用電動繩系和輕型折疊機(jī)械臂系統(tǒng)移除太空碎片的太空碎片清理者（SDMR）完成了抓捕機(jī)構(gòu)樣機(jī)試驗；利用電動繩系系統(tǒng)移除太空碎片的白鸛號集成繩系實驗（KITE）技術(shù)驗證任務(wù)曾于2017年開展碎片移除在軌驗證，但系繩未能成功展開；利用磁力移除太空碎片的宇航尺度壽命終結(jié)服務(wù)-驗證（ELSA-d）計劃2020年開展在軌試驗［11］。

3 模塊化可重構(gòu)航天器發(fā)展現(xiàn)狀

美國、德國等從21世紀(jì)初開始開展模塊化可重構(gòu)航天器研究。近年，DARPA資助的鳳凰項目和德國航空航天中心（DLR）資助的iBOSS項目分別開展或即將開展關(guān)鍵技術(shù)在軌驗證。

3.1 美國開展關(guān)鍵技術(shù)在軌驗證

DARPA從2011年開始通過鳳凰項目資助研究利用細(xì)胞衛(wèi)星裝配成模塊化可重構(gòu)航天器。按當(dāng)前設(shè)計方案，這種航天器平臺由多顆外形和尺寸相似的高度集成衛(wèi)星（HISat）靈活按需組裝而成。每顆HISat具有全部子系統(tǒng)功能，由多顆同時具有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［12］。為驗證細(xì)胞衛(wèi)星集成技術(shù)的可行性，鳳凰項目開展了多次試驗。2015年底至2017年，航天員在國際空間站上手動組裝了由6顆HISat和有效載荷構(gòu)成的衛(wèi)星，并進(jìn)行在軌試驗。2018年3月，由4顆HISat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，驗證細(xì)胞衛(wèi)星平臺容納新補(bǔ)充細(xì)胞衛(wèi)星模塊的可行性，并提供試驗數(shù)據(jù)。2018年12月，由14顆HISat構(gòu)成的細(xì)胞衛(wèi)星集成技術(shù)實驗（eXCITe）衛(wèi)星進(jìn)入太陽同步軌道開展第3次在軌試驗。此次試驗衛(wèi)星的細(xì)胞衛(wèi)星模塊數(shù)量為歷次試驗最多。

3.2 美國開始探索不依賴外力的模塊自主對接裝配概念

鳳凰項目研究的模塊化可重構(gòu)航天器當(dāng)前主要采取在地面裝配或在空間站裝配的方式，未來將隨著在軌服務(wù)航天器的發(fā)展進(jìn)行在軌裝配。近年，美國多家公司陸續(xù)提出不依靠外力裝配，利用模塊/小衛(wèi)星以在軌自主交會和對接方式裝配成航天器的概念。DARPA資助的太空光學(xué)孔徑自組裝（OASIS）項目計劃研究通過小模塊自主交會對接后裝配成孔徑大于5m的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。2016年，OASIS完成系統(tǒng)需求和初步設(shè)計評審，此后DARPA停止為該項目申請預(yù)算。2018年2月，美國航空航天公司宣布正通過蜂巢（Hive）項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的可行性［13］。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、爬升等動作。2018年3月，美國航空航天局（NASA）資助系繩無限公司（Tethers Unlimited）開展制造者衛(wèi)星（MakerSat）項目，以驗證小衛(wèi)星在軌自主對接裝配成大型航天器的可行性。

3.3 德國即將開展在軌驗證

DLR于2010年開始資助iBOSS項目，擬研究利用在軌服務(wù)航天器將智能模塊立方體裝配成模塊化可重構(gòu)航天器。“智能模塊”立方體邊長40cm，內(nèi)部可容納幾乎所有平臺子系統(tǒng)，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。該項目計劃2020年進(jìn)行在軌驗證［4］。

圖4 iBOSS概念圖Fig.4 The concept of iBOSS

4 對未來航天器和航天能力發(fā)展的影響

在軌服務(wù)航天器和模塊化可重構(gòu)航天器將從設(shè)計、制造、部署和運用等各方面影響航天器的發(fā)展，同時也將更快速、靈活地響應(yīng)作戰(zhàn)需求，增強(qiáng)航天系統(tǒng)抗毀性。

通過開展活動，齊齊哈爾大學(xué)的學(xué)生們的反響很強(qiáng)烈，并且還給予了很高的評價，很多學(xué)生也通過此次活動加深了我國傳統(tǒng)文化的認(rèn)識，并掌握了國學(xué)方面的禮儀文化，這在很大程度上起到了大學(xué)生的思想品德教育提升的作用。

（1）對航天器設(shè)計的影響

隨著相關(guān)技術(shù)不斷發(fā)展，未來航天器設(shè)計將更多地采用可接受在軌服務(wù)的模塊化可重構(gòu)設(shè)計。一方面實現(xiàn)按客戶和任務(wù)需求快速設(shè)計定制，另一方面航天器結(jié)構(gòu)和性能的設(shè)計上限將得到提高，使尺寸和質(zhì)量超出當(dāng)前運載能力的、超大型模塊化航天器，如超大口徑望遠(yuǎn)鏡、天基太陽能電站等的設(shè)計成為可能。

（2）對航天器制造部署方式的影響

未來航天器將可由在軌制造航天器利用在軌存儲的模塊按需快速裝配而成，實現(xiàn)“即需即造即裝配”，節(jié)省制造和從地面發(fā)射航天器的成本和時間［14］。隨著自主技術(shù)的不斷成熟，航天器還將由在軌制造航天器裝配發(fā)展至通過模塊自主對接裝配，進(jìn)一步提升航天器制造和部署速度。

（3）對航天器運用與維護(hù)的影響

模塊化可重構(gòu)航天器可通過服務(wù)保障航天器在軌拆卸損壞和需升級的模塊并安裝新模塊，實現(xiàn)“即破舊即維修和升級”。此外，廢舊航天器功能完好的模塊可被在軌服務(wù)航天器拆卸后重復(fù)利用，避免成為太空垃圾。

一方面，在軌服務(wù)航天器和模塊化可重構(gòu)航天器配合發(fā)展，可快速、靈活響應(yīng)作戰(zhàn)任務(wù)。和平時，將航天器模塊送入軌道存儲；戰(zhàn)時，可根據(jù)任務(wù)需求，選取模塊定制航天器，快速形成作戰(zhàn)能力，也可根據(jù)任務(wù)變化，利用在軌服務(wù)航天器重組或升級模塊化可重構(gòu)航天器，靈活滿足新任務(wù)需求［12］。另一方面，在軌服務(wù)航天器和模塊化可重構(gòu)航天器配合發(fā)展，有助于增強(qiáng)航天系統(tǒng)抗毀性。模塊化可重構(gòu)航天器受到攻擊或自然損壞導(dǎo)致部分模塊失效后，能通過在軌服務(wù)航天器更換新模塊恢復(fù)系統(tǒng)能力。此外，可自主組裝的模塊化可重構(gòu)航天器在遇到太空碎片等威脅時，能分散成零散模塊，威脅解除后自行重組［12］。

5 結(jié)束語

綜上，國外無論政府、國防研究機(jī)構(gòu)還是商業(yè)界，都在積極開展無人在軌服務(wù)航天器和模塊化可重構(gòu)航天器研究。無人在軌服務(wù)航天器和模塊化可重構(gòu)航天器有望廣泛用于商業(yè)服務(wù)和軍事航天能力建設(shè)，促使航天任務(wù)更經(jīng)濟(jì)、靈活、高效。