空間平臺能力發(fā)展趨勢分析

劉永健 譚春林 劉育強

(北京空間飛行器總體設計部,北京 100094)

1 引言

空間平臺是指為有效載荷正常工作提供支持、控制、指令和管理保障服務的各分系統(tǒng)的總稱,其本質是服務保障系統(tǒng)。作為空間活動的主體,空間平臺是空間應用的承載體,也是空間活動得以實現(xiàn)的基礎與前提。經過幾十年的發(fā)展,空間平臺技術不斷取得突破性進展,能力不斷提升,有力地支撐了各類空間應用活動。

在軌維護與服務、地外生命探索等新應用需求的不斷涌現(xiàn),對空間平臺的能力要求越來越多,也越來越高?，F(xiàn)有空間平臺的能力在大范圍快速機動、在軌操作和多飛行器協(xié)同配合等諸多方面難以滿足新應用的需求,已經開始顯露出制約空間應用的跡象。

本文從滿足在軌維護與服務等新應用需求的角度出發(fā),提煉了未來空間平臺所需的8 種能力,分析出實現(xiàn)相應能力所需的關鍵技術,希望對空間平臺技術的規(guī)劃有所幫助。

2 國外研究現(xiàn)狀

對空間平臺能力的追求已成為技術攻關的目標,特別是航天大國,均開展了大量的研究,通過各種關鍵技術攻關與演示驗證不斷提升平臺能力,以滿足未來的空間應用需求。美國在1998年提出了“空間機動飛行器”(SMV)的概念,要求空間平臺模塊化,具備快速大范圍機動、伴飛與交會、智能自主、可攜帶載荷并進行多種類型在軌操作的能力[1]。SMV是提升空間平臺能力的一種探索,并由此拉開了美國自主在軌服務領域研究與試驗的序幕。近期,對空間平臺能力和技術的驗證,成為美、俄開展飛行演示驗證的主要內容之一。本文以美國近期開展的典型項目為例進行分析。

1)“軌道快車”計劃

美國“軌道快車”(Orbital Express)于2007年3月8日發(fā)射升空,2007年7月22日完成了全部演示任務[2-3],圖1為該計劃示意圖。它由“太空自動化運輸機器人”(AS TRO)和“未來星/貨艙飛行器”(NextSat/CSC)組成。其中, AS TRO是一種面向在軌服務的空間平臺,具備很強的機動變軌能力,能夠迅速進入目標星NextSat 的軌道;配備有高度自動化的機械臂系統(tǒng),具備較強的在軌操作能力,能夠初步代替航天員完成太空作業(yè)。

進入太空之初,兩星相連,相互交換有關數據;然后,兩星分離,AST RO 設法捕獲NextSat,一旦鎖定NextSat 且趕上它之后,ASTRO 伸出機械臂,將NextSat 拉回身邊,再完成在軌可更換模塊(ORU)傳送及燃料傳輸等演示任務。Orbital Express 計劃不但驗證了自主交會對接、自主跟蹤監(jiān)視、在軌維護與服務等能力,也展示了其空間捕獲其他衛(wèi)星的能力。

2)“試驗衛(wèi)星系統(tǒng)”計劃

圖1 Orbital Express 計劃示意圖Fig.1 Schematic graph of Orbital Express

美國“試驗衛(wèi)星系統(tǒng)”(XSS)系列的目的是研制一種全自主控制的微小型衛(wèi)星,這種衛(wèi)星具有在軌檢查、交會對接及圍繞軌道物體近距離機動的能力。XSS-10 于2003年1月28日由德爾他-2 火箭發(fā)射升空,隨后從運載火箭第2級中彈出并逼近該目標,在200m、100m、35m 的距離上對火箭第2級進行了拍照,演示驗證了半自主運行和近距空間目標監(jiān)視能力[4]。圖2為XSS-10 衛(wèi)星結構示意圖[5]。XSS-11 于2005年4月11日發(fā)射,進入高約850km 的預定軌道,進行為期12～18個月的自主逼近在軌目標的演示驗證試驗,并與美國6～7個在軌人造物體(廢棄的火箭上面級和廢棄衛(wèi)星)實施自主交會[6]。

圖2 XSS-10 衛(wèi)星Fig.2 XSS-10 satellite

3)“自主交會技術演示”計劃

美國“自主交會技術演示”(DART)衛(wèi)星于2005年4月15日發(fā)射,其主要任務是在軌與名為“多波束超視距通信微小衛(wèi)星”(M UBLCOM)進行一系列自主交會、逼近和繞飛操作,驗證DART所攜帶的遙感器、計算機、推進系統(tǒng)及軟件的性能[7]。DART 衛(wèi)星只在太空工作了11h,距目標星91.44m時就提前結束了任務(原計劃在太空試驗24h,距目標星近達4.6m),不過這一結果也能證明,完全由計算機控制的衛(wèi)星可在太空找到目標星,未來空間平臺實現(xiàn)智能自主具有可行性。圖3為DART 衛(wèi)星結構圖。

4)“深度撞擊”計劃

2005年7月4日,美國“深度撞擊”(Deep Impact)計劃中的撞擊器以10.2km/s 的相對速度與坦普爾-1 彗星成功碰撞,留下一個深度大于25m 的坑(見圖4)[8]。Deep Impact 由主探測器和撞擊器組成。其中,350kg 的撞擊器是一個電能航天器,可獨立操作1 天,在脫離主探測器后能自主導航并加速飛向坦普爾-1。該計劃體現(xiàn)了美國自主導航、遠程通信和精確控制等空間技術領域的實力。

圖3 DART 衛(wèi)星Fig.3 DART satellite

圖4 撞擊器與坦普爾-1 彗星相撞Fig.4 Impactor collison with Tempel-1

5)“微衛(wèi)星技術試驗”計劃

美國“微衛(wèi)星技術試驗”(MiTEx)計劃是其執(zhí)行Orbital Express 計劃演示低軌在軌維修服務能力后,首次在地球靜止軌道演示軌道機動技術和執(zhí)行在軌監(jiān)測檢查任務。MiTEx系統(tǒng)包括火箭上面級和2顆小衛(wèi)星[9],見圖5[10]?；鸺厦婕壯b有太陽電池陣和姿態(tài)控制星敏感器,可在軌持續(xù)飛行幾周甚至更長時間,其鉑/銠雙組元姿態(tài)控制推力器因康鎳燃料箱可貯存較多燃料,因此不但可將2顆小衛(wèi)星從轉移軌道送入靜止軌道,而且可以進行多種軌道機動。2顆小衛(wèi)星主要是確定、集成、試驗和評估與地球靜止軌道機動有關的微小型衛(wèi)星技術,它們在2008年年底至2009年年初對失效的國防支援計劃-23(DSP-23)導彈預警衛(wèi)星成功進行了在軌監(jiān)測。

圖5 MiTEx系統(tǒng)組成Fig.5 System composition of MiTEx

6)“未來、快速、靈活、模塊化、自由飛行航天器”

2005年9月,美國國防高級研究計劃局(DARPA)開展了“未來、快速、靈活、模塊化、自由飛行航天器”(F6,見圖6)概念研究,并且將其作為“作戰(zhàn)快速響應太空”計劃的重點項目。其基本設想是未來航天器由一個自由飛行載荷模塊和多個提供動力、能源、通信等功能的自由飛行模塊組成,不同模塊通過編隊飛行和無線傳輸方式協(xié)同工作,共同完成特定任務。其技術特征可歸納為“功能分解、結構分離、無線鏈接、編隊飛行”。該計劃共分四階段完成:2009年2月,波音等4 家宇航公司共同完成了第一階段的研究,主要突破了分布式計算、無線能量傳輸和星群自主導航控制等5 項關鍵技術[11],發(fā)展了以價值為中心的設計方法(VCDM)[12];2009年11月25日,軌道科學公司單獨獲得第二階段的合同,合同期為1年,主要進行系統(tǒng)詳細設計,完成關鍵硬件原理樣機研制、大系統(tǒng)半實物仿真和絕大部分軟件開發(fā)等工作;而首次在軌演示驗證已由2011年推遲至2013年。

圖6 F6系統(tǒng)設想圖Fig.6 Imagination layout of system F6

F6 無論在軍用、民用還是商用航天領域都具有巨大的應用潛力,一旦取得突破,未來航天器設計理念、體系結構、運行管理、制造和發(fā)射模式,甚至航天產業(yè)的組織結構都可能發(fā)生革命性變革。

3 空間平臺能力發(fā)展需求

美國開展的研究項目已經開始從在軌機動、在軌操作、智能自主等不同的側面嘗試提升現(xiàn)有空間平臺的能力,以滿足機動逼近、維修維護、自主任務規(guī)劃/自主運行等應用需求。針對這些需求,本文分析總結了空間平臺需要顯著提升的8 種能力。

1)在軌機動能力

機動能力是空間平臺的基本能力,既包括軌道機動,也包括自身姿態(tài)的機動。軌道機動包含共面機動和異面機動,主要涉及軌道轉移、交會、繞飛、伴飛、規(guī)避等變軌能力。對機動能力的考核重點,要關注時間和距離2個基本要素,一般以速度增量進行量化。

在軌操作對空間平臺的機動能力提出了明確的要求,空間應急營救、維修、加注、規(guī)避,在軌組裝、編隊飛行等操作,都要求大范圍快速軌道機動。其中涉及的主要關鍵技術有:軌道機動規(guī)劃技術;軌道機動動力學技術;先進高能推進技術;軌道機動過程中的制導、導航與控制技術;交會與繞飛技術;軌道機動末段姿態(tài)快速穩(wěn)定技術。

美國近期開展的演示驗證試驗均包含了在軌機動的內容,基本上具備了實用能力,且所實現(xiàn)的機動能力較強,如SMV 的最大速度增量達到了3.2km/s。國內目前僅開展了部分關鍵技術研究,在軌實際應用的能力還較弱,基本處于小范圍或長時間的機動,對于如何滿足機動的時效性,還有必要開展更深入的研究。

2)空間目標識別、跟蹤與測量能力

這種能力主要是指對空間目標的探測、發(fā)現(xiàn)、識別、跟蹤與測量的能力,目的是獲得操作對象的軌道位置、運行特性、外形特征等信息,并將這些信息提供給自身的信息系統(tǒng)進行動作規(guī)劃與調整,從而保證空間平臺適時機動到正確的位置,以及在軌操作的精度和監(jiān)測操作效果。這些信息也可提供給其他航天器,納入整個空間信息系統(tǒng),協(xié)助完成整體的空間任務。該能力涉及的主要關鍵技術有:目標識別、跟蹤與測量基礎理論;目標識別、跟蹤與測量敏感器技術;目標識別與跟蹤測量系統(tǒng)的信息融合技術;在軌操作效果評估技術。

目前,俄羅斯和美國均已具備了對合作目標和非合作目標的星(船)載自主跟蹤與測量的技術能力。俄羅斯/蘇聯(lián)對合作目標的交會對接的發(fā)展經歷了衛(wèi)星與衛(wèi)星、飛船與飛船、飛船與禮炮號、和平號空間站及“國際空間站”交會對接等階段,自主測量設備主要采用微波雷達;對非合作目標的軌道交會的自主測量系統(tǒng),包括微波雷達系統(tǒng)和紅外光學系統(tǒng)兩類,并分別進行了打靶試驗,其中,微波雷達系統(tǒng)試驗7次,成功5次,紅外光學系統(tǒng)試驗3次,均未成功。美國“阿波羅”飛船進行登月艙和指令艙交會對接時,采用X頻段單脈沖比幅連續(xù)波雷達,結合目視光學瞄準鏡,由航天員以手控方式進行交會對接操作。美國航天飛機與和平號空間站、“國際空間站”交會使用的雷達是Ku頻段脈沖多普勒雷達,具有通信收發(fā)功能,以時分方式工作,具有跟蹤能力。而Orbital Express是全自主識別、跟蹤與測量能力的飛行演示驗證。

3)空間信息處理與傳輸能力

空間平臺在獲得空間態(tài)勢信息后,需要對數據進行預處理,并及時地通過信息鏈路傳輸到應用單元。這就要求空間平臺有高速信息處理和大容量信息傳輸能力,具備高可靠的信息加密手段及靈活的組網模式。該能力涉及的主要關鍵技術有:多源數據在軌預處理技術;高可靠空間信息傳輸技術;星間通信技術。

國外空間信息處理與傳輸相關技術的發(fā)展趨勢是:采用更高頻段(Ka、EHF頻段)和更完善的星上處理技術,具備為生存而重構的能力,更有效地按需分配技術和抗輻射、抗實際攻擊的能力。選擇更高頻段可使天線波束變窄,頻帶寬,跳頻范圍大,降低信號被截獲和受干擾的可能性,也可使地面天線等設備小型化,通信終端更加靈活機動。采用V頻段星間鏈路(或交叉鏈路),以擴大靜止軌道系統(tǒng)的覆蓋區(qū),而無需地面中轉站。美、俄、歐、日都已發(fā)展跟蹤與數據中繼衛(wèi)星,除統(tǒng)一使用S、Ka頻段,均發(fā)展星間光通信技術。

4)智能自主能力

由于測控網的覆蓋區(qū)域有限,地面系統(tǒng)實時監(jiān)測低軌航天器運行狀態(tài)的時間,僅為航天器工作時間的百分之幾,因此在地面監(jiān)測下能夠完成的操作任務非常有限。同時,航天器的遙測遙控數據非常有限,很難完全反映航天器的在軌運行狀態(tài)。在在軌操作的過程中,地面只可能給出一些宏觀的指令,需要空間平臺根據星上設備狀態(tài)及燃料、能源等各種約束,自主規(guī)劃出系列動作及其流程,并動態(tài)應對瞬息萬變的空間環(huán)境。因此,智能自主能力是適應未來空間應用特點的一種主要趨勢。該能力涉及的主要關鍵技術有:航天器自主任務規(guī)劃技術;航天器整星信息綜合總體技術;航天器實時狀態(tài)監(jiān)測技術;航天器自主決策技術;航天器故障診斷與自恢復技術;自主導航技術。

美國在自主管理技術上處于領先地位,最具有代表意義的航天器是深空-1(DS-1),采用了遠程代理(Remote Agent)技術,是第1個使用人工智能技術進行自主管理的航天器。

俄羅斯在研制和維護和平號等空間站的過程中積累了大量航天器自主管理的經驗。其中包括:大功率液體火箭發(fā)動機健康監(jiān)測和壽命評估與預測系統(tǒng),針對暴風雪號航天飛機開發(fā)的軌道實時自動監(jiān)測、預測系統(tǒng),以及貨運飛船與空間站的交會系統(tǒng)等一系列成果。日本研制的工程試驗衛(wèi)星-7(ETS-7)于1998年成功進行了空間自動交會對接試驗。此外,日本對“國際空間站”日本實驗艙的環(huán)境和生命支持系統(tǒng)(EC LSS)的故障診斷技術作了詳細深入的研究。

5)在軌操作能力

未來空間平臺的主要任務就是實現(xiàn)各種在軌操作。空間平臺執(zhí)行的任務目標不同,對其在軌操作能力的要求不同。例如:執(zhí)行在軌模塊更換任務時,需要對象捕獲、模塊轉運和設備插拔等能力,而執(zhí)行在軌監(jiān)測任務時,往往只需對繞飛或伴飛對象進行拍照。目前,首要發(fā)展的應該是對象捕獲和物體移動能力。在軌操作能力涉及的主要關鍵技術有:在軌?？考夹g;空間機械臂技術;在軌維護與維修技術;在軌更換技術;在軌加注技術;在軌釋放與投送技術;遙操作技術。

目前,在這一領域處于領先地位的是美國、加拿大、歐洲和日本,典型的例子就是美國的Orbital Express 計劃和日本的ETS-7 計劃。歐洲以德國宇航中心(DLR)為主,進行了一項完全類似于ETS-7的試驗計劃——“試驗服務衛(wèi)星”(ESS)計劃,其目的是研制可在空間環(huán)境下利用遙操作控制機械臂來修理損壞衛(wèi)星的試驗機器人。加拿大正在開展用于在軌服務的自由飛行器研究,主要研究內容為地面遙控、遠程控制、在軌規(guī)劃、載荷捕獲、傳感器校準及故障檢測技術等。

6)多載荷與任務適應能力

為了適應不同的任務需求,空間平臺需要有靈活更換有效載荷的能力,因此需要為各種載荷提供統(tǒng)一的機電熱接口,使載荷本身與平臺具有相對的獨立性。同時,空間平臺在執(zhí)行在軌操作任務時需要多次往返于不同軌道,這就要求平臺具備在不同軌道上運行的能力,這對平臺的結構、熱控等功能提出了較高要求。該能力涉及的主要關鍵技術有:通用載荷接口技術;大功率快速放電技術;瞬間大容量熱排放和精密熱控技術。

當前,各國發(fā)展的航天器大多針對某種急迫的任務需求,發(fā)展只能搭載單一載荷完成特定功能的專用航天器,也發(fā)展了部分具有靈活承載能力的通用飛行平臺,如“軌道轉移飛行器”(OTV)、“軌道機動飛行器”(OMV)、SMV 等,但其通用性主要體現(xiàn)在載荷的互換性方面,在針對任務的自適應能力方面還比較欠缺,比如變構型、短時大功率放電、瞬間大容量熱排放等。

7)協(xié)同與組合能力

協(xié)同與組合能力主要是指多星協(xié)同工作和在軌擴展的能力,既要求能夠迅速集群,又要求能夠迅速分散。有許多任務是單一航天器很難完成的,需要多個航天器配合進行;同時,空間系統(tǒng)總的發(fā)展趨勢是系統(tǒng)化和體系化,空間平臺要納入到整個空間體系中,作為空間體系中的一員,發(fā)揮自身特有的作用。該能力涉及的主要關鍵技術有:編隊飛行技術;無線數據與能量傳輸技術;網絡化技術;在軌擴展技術;航天器模塊化、標準化設計技術。

目前,星間通信以及相對位置測量和保持控制等技術,在Orbital Express、E TS-7 等計劃中得到了部分的試驗和驗證。近來,美國發(fā)展的F6系統(tǒng),其實質是建立一種面向未來的靈活、高效的航天器體系結構,將傳統(tǒng)的整體式航天器分解為可組合的分離模塊,各分離模塊可以快速批量制造和獨立發(fā)射,在軌運行時通過無線數據鏈接和無線能量傳輸,構成一個具備 完整功能的虛擬航天器,使得該系統(tǒng)在全壽命周期內具備系統(tǒng)重構和功能再定義的能力,大大提高在軌系統(tǒng)的靈活性、可擴展性和可維護性。

8)威脅告警與防護能力

威脅告警與防護能力主要是指通過探測空間碎片等的目標特性和軌道特征,預測產生威脅的可能位置、可能對自身的毀壞形式及可能的時間等,進而發(fā)出威脅告警信號,并根據不同威脅類型采取自主防護措施,如機動規(guī)避、釋放誘餌等。該能力涉及的主要關鍵技術有:威脅告警技術;碰撞預警技術;探測預警感知技術;航天器被動防護技術;航天器主動防護技術。

威脅告警與防護分為主動式防護和被動式防護兩大類。其中:主動式防護主要是通過星載威脅告警系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)空間碎片等危險源,從而采取主動的機動規(guī)避、攔截等手段;被動式防護則是通過抗輻射加固、隱身、防撞擊結構等方式來提高航天器的抗攻擊承受能力。目前,美國主要在役及在研衛(wèi)星均采取了相應的防護措施,典型的例子有“軍事星”(M ilstar)通信衛(wèi)星、GPS系統(tǒng)、“長曲棍球”(Lacrosse)偵察衛(wèi)星、DSP 導彈預警衛(wèi)星、“鎖眼”(KH)系列偵察衛(wèi)星等,其中KH 衛(wèi)星的機動規(guī)避能力相當強。

4 結束語

空間平臺技術的研究是空間技術研究的重要組成部分,是提升空間應用能力和水平的前提條件。經過幾十年的發(fā)展,我國空間技術已經取得了長足的進步,但要滿足未來空間平臺的能力需求尚有較大差距,建議重點針對未來可能的應用群策群力,集智攻關,實現(xiàn)相關關鍵技術的有效突破,并逐步演示驗證,逐步應用到工程實踐,最終全面提升空間平臺的各項能力,為更好地實現(xiàn)空間資源利用作貢獻。

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