悄無聲息的天外機(jī)動(dòng)

□ 陳奕卓

“軌道快車”驗(yàn)證衛(wèi)星維修技術(shù)，包括交會(huì)、捕捉、對(duì)接，以及燃料轉(zhuǎn)移和電池更換

去年年底，高度機(jī)密的X-37B再次升空，到太空秘密游蕩。它在執(zhí)行什么使命？美國空軍發(fā)言人諱莫如深地表示：“驗(yàn)證空間飛行性能，證明重復(fù)使用的實(shí)用性和成本效益?！边@只是新型空間機(jī)動(dòng)平臺(tái)的“冰山一角”，空間較量的天幕早已拉開……

循序漸進(jìn)的“民掩軍”

到目前為止，只有美國開展過新型空間機(jī)動(dòng)平臺(tái)有關(guān)項(xiàng)目的在軌飛行演示驗(yàn)證。

2003年，美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室的“試驗(yàn)衛(wèi)星系統(tǒng)項(xiàng)目”10（XSS-10）成功進(jìn)行了在軌試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中，與火箭上面級(jí)分離后，XSS-10在距離上面級(jí)數(shù)百米的范圍內(nèi)進(jìn)行繞飛、接近等軌道機(jī)動(dòng)，在同一軌道面指定的4個(gè)位置對(duì)上面級(jí)進(jìn)行拍照和狀態(tài)檢測(cè)，并將獲得的數(shù)據(jù)成功下傳。

2005年，美國空軍成功進(jìn)行了XSS-11任務(wù)的飛行試驗(yàn)。XSS-11環(huán)繞其運(yùn)載器“米諾陶”1火箭上面級(jí)飛行超過75圈，與上面級(jí)在0.5千米～1.5千米距離先后實(shí)施3次交會(huì)。

2005，美國航宇局的“自主交會(huì)技術(shù)驗(yàn)證衛(wèi)星”（DART）與在同一軌道面內(nèi)的“多路徑超視距通信衛(wèi)星”實(shí)現(xiàn)了交會(huì)，接近到距離5米的位置，并利用星上的制導(dǎo)敏感器和GPS導(dǎo)航信息完成幾次近距離機(jī)動(dòng)。雖然DART與目標(biāo)衛(wèi)星在交會(huì)階段發(fā)生了碰撞，但該次驗(yàn)證仍然實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)。

2007年3月～7月，美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局、空軍和美國航宇局聯(lián)合完成了“軌道快車”項(xiàng)目的在軌演示驗(yàn)證。作為新型空間機(jī)動(dòng)平臺(tái)的“太空自動(dòng)化運(yùn)輸機(jī)器人”與目標(biāo)星成功完成了在同一軌道面內(nèi)以軌道機(jī)動(dòng)為支撐的空間操作。在交會(huì)、逼近、位置保持的基礎(chǔ)上進(jìn)行了捕獲、常溫推進(jìn)劑加注、模塊更換等操作。該次演示驗(yàn)證被認(rèn)為是新型空間機(jī)動(dòng)平臺(tái)發(fā)展史上的里程碑事件,標(biāo)志著在同一軌道面內(nèi)以軌道機(jī)動(dòng)為支撐的空間操作技術(shù)逐步走向成熟。在進(jìn)行在軌飛行試驗(yàn)以前，美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局開展了充分的軌道快車概念方案研究論證和大量的地面試驗(yàn)，從2004財(cái)年至2007財(cái)年，不惜兩次推遲在軌試驗(yàn)，為最終試驗(yàn)的成功奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

“自主交會(huì)技術(shù)驗(yàn)證”飛行器與“多路徑超視距通信”衛(wèi)星交會(huì)示意圖

2010年～2012年，美國空軍成功完成了X-37B空間機(jī)動(dòng)飛行器驗(yàn)證機(jī)的兩次驗(yàn)證飛行。雖然美國空軍沒有具體公布X-37B的軌道參數(shù)，但根據(jù)國外天文愛好者的觀測(cè)數(shù)據(jù)，兩次試驗(yàn)中X-37B的軌道高度均有較為明顯的改變，但軌道傾角基本上沒有變化。這表明在同一軌道面內(nèi)以軌道機(jī)動(dòng)為支撐開展空間操作后可實(shí)現(xiàn)重復(fù)使用的新型空間機(jī)動(dòng)平臺(tái)技術(shù)獲得驗(yàn)證。美國空軍于2012年12月11日開始了第三次X-37B飛行試驗(yàn)，使用的是第一次進(jìn)行飛行試驗(yàn)的X-37B飛行器，以進(jìn)一步驗(yàn)證其重復(fù)使用性能。

2012年6月16日第2架X-37B在軌神秘飛行469天后成功著陸加利福尼亞州范登堡空軍基地

能靈活拿起鋼筆的機(jī)械手

從上面可看出，美國在新型空間機(jī)動(dòng)平臺(tái)的發(fā)展方面選取了兩種不同的技術(shù)途徑，但都是循序漸進(jìn)的發(fā)展思路。一種是在同一軌道面內(nèi)進(jìn)行機(jī)動(dòng)與操作的空間平臺(tái)技術(shù)，另一種是在不同軌道面內(nèi)進(jìn)行機(jī)動(dòng)與操作的空間平臺(tái)技術(shù)。兩種技術(shù)途徑下又可以再各劃分三個(gè)類型，一是專注于進(jìn)行軌道機(jī)動(dòng)；二是以軌道機(jī)動(dòng)為基礎(chǔ)開展空間操作；三是以軌道機(jī)動(dòng)為基礎(chǔ)開展空間操作后返回地面實(shí)現(xiàn)重復(fù)使用。

美國新型空間機(jī)動(dòng)平臺(tái)的發(fā)展一直是以滿足空間攻防對(duì)抗的需求為牽引的，具有重要的空間攻防應(yīng)用潛力。為己方航天器補(bǔ)充燃料、更換故障部件，能夠有效提升衛(wèi)星的機(jī)動(dòng)能力和生存性能。機(jī)動(dòng)能力的增強(qiáng)使得衛(wèi)星可以經(jīng)常改變軌道位置，實(shí)施對(duì)目標(biāo)的機(jī)動(dòng)偵察，增強(qiáng)躲避攻擊的能力；也可實(shí)現(xiàn)由較少衛(wèi)星構(gòu)成局部的機(jī)動(dòng)偵察網(wǎng)絡(luò)來完成以前不能完成的任務(wù)。此外，新型空間機(jī)動(dòng)平臺(tái)所具備的交會(huì)、逼近、位置保持、捕獲等能力也可用于反衛(wèi)星武器，以捕獲、打擊、摧毀敵方的航天器。

2005年4月11日發(fā)射的XSS-11用于試驗(yàn)反衛(wèi)星武器

藝術(shù)家描繪的“鳳凰”項(xiàng)目概念圖之一

不斷融入創(chuàng)新性要素

新型空間機(jī)動(dòng)平臺(tái)與傳統(tǒng)的衛(wèi)星相比有兩個(gè)重要的區(qū)別：一是在空間機(jī)動(dòng)能力和靈活性方面較傳統(tǒng)衛(wèi)星有顯著地提高；二是新型空間機(jī)動(dòng)平臺(tái)能夠裝備機(jī)械臂以及推進(jìn)劑加注等專用設(shè)備，完成各種靈活的空間操作。性能的復(fù)雜新穎性，注定需要諸多創(chuàng)新性要素不斷融入其發(fā)展之中，因此，新型空間機(jī)動(dòng)平臺(tái)的發(fā)展往往是和具有創(chuàng)新性的技術(shù)、概念結(jié)合在一起的。

美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局在2011年正式啟動(dòng)了“鳳凰”項(xiàng)目，其中的服務(wù)航天器平臺(tái)設(shè)計(jì)能承載1000千克的有效載荷。與之前 “軌道快車”等低軌道空間操作平臺(tái)不同的是，該平臺(tái)被要求在地球靜止軌道（GEO）進(jìn)行軌道機(jī)動(dòng)接近目標(biāo)衛(wèi)星。第一，要用機(jī)械手工具抓取處于自由飛行狀態(tài)的有效載荷軌道交付系統(tǒng)，安放在平臺(tái)工具箱中；第二，執(zhí)行空間機(jī)動(dòng)接近另一顆位于GEO軌道的目標(biāo)衛(wèi)星，并用機(jī)械手工具抓取目標(biāo)星進(jìn)行對(duì)接；第三，利用機(jī)械手工具抓取平臺(tái)工具箱中包括細(xì)胞化衛(wèi)星在內(nèi)的工具安裝在目標(biāo)星的天線上；第四，將目標(biāo)星天線切割下來并拖拽至預(yù)定位置。這是一個(gè)技術(shù)創(chuàng)新的集合體，計(jì)劃中還包含了細(xì)胞化衛(wèi)星這種新的衛(wèi)星設(shè)計(jì)和應(yīng)用理念、寄宿有效載荷、空間碎片清除、空間資源的重復(fù)利用等新的要素。

藝術(shù)家描繪的“鳳凰”項(xiàng)目概念圖之二

美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室太空運(yùn)載指揮部在2012年10月授予美國軌道科學(xué)公司一份為期五年、價(jià)值3200萬美元的合同，用于開發(fā)有能力搭載多個(gè)有效載荷，并在地球同步軌道和低地球軌道都能運(yùn)行的新型空間機(jī)動(dòng)平臺(tái)。這種平臺(tái)稱為“鷹”（EAGLE），EAGLE是漸進(jìn)一次性運(yùn)載火箭次級(jí)適配器增強(qiáng)同步實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)的英文縮寫。“鷹”平臺(tái)可以由“宇宙神”5以及“德爾它”4火箭發(fā)射，其結(jié)構(gòu)包括一個(gè)六端口標(biāo)準(zhǔn)型ESPA環(huán)，軌道科學(xué)公司希望“鷹”平臺(tái)有能力搭載6個(gè)有效載荷，在同步軌道停留至少一年?！苞棥逼脚_(tái)可以攜帶足夠的推進(jìn)劑，將有效載荷部署到不同的位置。軌道科學(xué)公司稱用戶最初的設(shè)計(jì)需求是容納4個(gè)有效載荷，但該公司的創(chuàng)新設(shè)計(jì)節(jié)省出了足夠兩個(gè)有效載荷使用的空間。美國空軍將在2017年左右進(jìn)行這種新型空間機(jī)動(dòng)平臺(tái)的演示驗(yàn)證，將突破原有平臺(tái)只在低地球軌道上進(jìn)行驗(yàn)證的情況。

從廣州出發(fā)飛 行了16個(gè)小時(shí)，再坐上2小時(shí)的大巴，穿越一片片平坦開闊的葡萄園、橄欖園，路過一棟棟白色或淺黃色的石屋，終于抵達(dá)普利亞產(chǎn)區(qū)的中心城市：曼杜里亞。此時(shí)接近正午，陽光正好，清勁的海風(fēng)撲面而來，一下子驅(qū)散了長(zhǎng)途旅行的不適。空氣中彌漫著橄欖香、泥土香，暖暖的，非常愜意。放眼望去，都是狹窄的石頭街道、古老的石頭房子和教堂，街上行人寥寥。

國際空間站機(jī)械臂伸手去抓逼近的日本HTV-2貨運(yùn)飛船

跨部門合作演示驗(yàn)證

新型空間機(jī)動(dòng)平臺(tái)融合了諸多新技術(shù)，具有較強(qiáng)的探索性和風(fēng)險(xiǎn)性。美國在發(fā)展新型空間機(jī)動(dòng)平臺(tái)的過程中采取了跨部門合作的方式，通過力量匯聚開展技術(shù)攻關(guān)和演示驗(yàn)證。其中最典型的兩個(gè)重點(diǎn)項(xiàng)目是“軌道快車”項(xiàng)目和X-37B空間機(jī)動(dòng)飛行器項(xiàng)目。

“軌道快車”項(xiàng)目最初是由美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局提出的，美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局也一直作為該項(xiàng)目的牽頭實(shí)施單位。在實(shí)施過程中美國空軍、美國航宇局逐步參與其中。美國空軍不僅為軌道快車提供運(yùn)載器，而且提供了跟蹤、測(cè)控等地面運(yùn)行服務(wù)支持。美國航宇局從2004財(cái)年開始即加入了“軌道快車”項(xiàng)目，一方面在項(xiàng)目中試驗(yàn)部分傳感器和軟件，目的是降低軌道空間飛機(jī)在自主交會(huì)和逼近操作過程中的風(fēng)險(xiǎn)以及未來對(duì)國際空間站進(jìn)行商業(yè)補(bǔ)給操作的風(fēng)險(xiǎn)；另一方面為項(xiàng)目提供傳感器和軟件技術(shù)支持，這些產(chǎn)品和技術(shù)原本是為降低哈勃空間望遠(yuǎn)鏡機(jī)器人服務(wù)任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)所研制的。美國航宇局還提供了空間站機(jī)械臂方面的技術(shù)以支持研制“軌道快車”機(jī)械臂。此外，“軌道快車”的推進(jìn)系統(tǒng)與美國航宇局的“自主交會(huì)技術(shù)驗(yàn)證衛(wèi)星”DART的推進(jìn)系統(tǒng)有很強(qiáng)的繼承性。

歐洲自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器與國際空間站交會(huì)示意圖

X-37B空間機(jī)動(dòng)飛行器項(xiàng)目的合作研制特點(diǎn)更加突出，這也是由X-37B的技術(shù)難度大、風(fēng)險(xiǎn)高所決定的。自從1999年項(xiàng)目正式啟動(dòng)以來，先后由美國空軍、美國航宇局和國防高級(jí)研究計(jì)劃局等多個(gè)單位負(fù)責(zé)管理。雖然每個(gè)單位在管理過程中的對(duì)項(xiàng)目要求的側(cè)重點(diǎn)不盡相同，但客觀上形成了一種接力棒式的合作研制模式。X-37B項(xiàng)目一開始由空軍研究實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)管理；1999年7月～2004年9月，轉(zhuǎn)由美國航宇局負(fù)責(zé)管理，由空軍研究實(shí)驗(yàn)室輔助；2004年9月～2006年9月，轉(zhuǎn)由國防部高級(jí)研究計(jì)劃局負(fù)責(zé)，進(jìn)行了高空高速無動(dòng)力飛行進(jìn)場(chǎng)著陸試驗(yàn)；2006年9月至今，由空軍快速能力辦公室負(fù)責(zé)管理，進(jìn)行軌道飛行器的研制和試驗(yàn)。實(shí)際上在X-37B管理權(quán)的不斷轉(zhuǎn)移過程中，空軍、美國航宇局和美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局都沒有離開X-37B項(xiàng)目，合作關(guān)系一直存在。

2000財(cái)年～2012財(cái)年美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局新型空間機(jī)動(dòng)平臺(tái)的投資

在歐洲方面，歐空局、德國航天局和歐洲航空防務(wù)航天公司的合作一直沒有間斷，共同開展了自由飛行機(jī)器人系統(tǒng)項(xiàng)目、靜地軌道復(fù)位者航天器項(xiàng)目、德國軌道服務(wù)任務(wù)項(xiàng)目等三個(gè)重點(diǎn)項(xiàng)目的研制工作。其中自由飛行機(jī)器人系統(tǒng)項(xiàng)目還是歐空局、歐洲航空防務(wù)航天公司和俄羅斯巴巴金空間中心三家研究機(jī)構(gòu)合作進(jìn)行的，采用了俄羅斯的多功能軌道推進(jìn)平臺(tái)。

由此看來，在新型空間機(jī)動(dòng)平臺(tái)領(lǐng)域特別是技術(shù)復(fù)雜程度高的項(xiàng)目一般采取了跨部門合作的方式，不僅能凝聚各方力量，而且保證項(xiàng)目目標(biāo)的順利實(shí)現(xiàn)。

“自主太空運(yùn)輸機(jī)器人軌道器”（左）與“未來星”交會(huì)

為有源頭活水來

美國在新型空間機(jī)動(dòng)平臺(tái)的發(fā)展方面進(jìn)行了長(zhǎng)期的規(guī)劃和投資。正是這種持續(xù)的推動(dòng)使得其新型空間機(jī)動(dòng)平臺(tái)技術(shù)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。

從美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局各年預(yù)算可以看出，美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局一直以來都在對(duì)新型空間機(jī)動(dòng)平臺(tái)的發(fā)展給予投資。主要包括五個(gè)重點(diǎn)項(xiàng)目：“軌道快車”、空間組裝和制造、“通用軌道修正航天器”、“前端機(jī)器人使能近期演示驗(yàn)證”和“鳳凰”計(jì)劃。不計(jì)2013財(cái)年預(yù)算，2000財(cái)年～2012財(cái)年美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局在新型空間機(jī)動(dòng)平臺(tái)方面的總投資為3.3785億美元。如果將2013財(cái)年預(yù)算計(jì)算在內(nèi)，總投資額為3.6585億美元?？梢哉f這一投資額度并不很大，重要的是體現(xiàn)出一種持續(xù)性。

美國航宇局在2003財(cái)年預(yù)算中提出了DART，從2003財(cái)年開始～2005財(cái)年，共投入該項(xiàng)目1.1億美元。DART是一種新型的以通過空間機(jī)動(dòng)進(jìn)行自主交會(huì)對(duì)接為特征的空間機(jī)動(dòng)平臺(tái)，美國航宇局期望通過該項(xiàng)目驗(yàn)證自主操作和交會(huì)所需的制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制軟件和硬件，同時(shí)驗(yàn)證模擬碰撞規(guī)避機(jī)動(dòng)。在2004財(cái)年的預(yù)算中，美國航宇局為“航天發(fā)射倡議項(xiàng)目”申請(qǐng)10.65億美元經(jīng)費(fèi)，其中5.5億美元用于軌道空間飛行項(xiàng)目，同時(shí)支持X-37技術(shù)驗(yàn)證。

美國空軍在新型空間機(jī)動(dòng)平臺(tái)方面也有長(zhǎng)期的規(guī)劃發(fā)展和資金投入。如X-37B、XSS，但出于保密原因，尚無法獲得在這些項(xiàng)目的投入和預(yù)算。

在國際空間站上試驗(yàn)的小機(jī)器人

軍民兩用的機(jī)器人

知識(shí)鏈接

空間機(jī)動(dòng)平臺(tái)機(jī)動(dòng)能力量化分析

空間機(jī)動(dòng)平臺(tái)的機(jī)動(dòng)能力究竟能有多大，與什么因素有關(guān)是新型空間機(jī)動(dòng)平臺(tái)的核心問題之一。目前已經(jīng)進(jìn)行的新型空間機(jī)動(dòng)平臺(tái)在軌演示驗(yàn)證都是在同一軌道面內(nèi)進(jìn)行的。

影響機(jī)動(dòng)能力的因素

空間機(jī)動(dòng)平臺(tái)要進(jìn)行軌道機(jī)動(dòng)必須要有一定的速度變量，為了獲得這一變量需消耗一定質(zhì)量的推進(jìn)劑，所消耗的推進(jìn)劑質(zhì)量大小與平臺(tái)質(zhì)量緊密相關(guān)。

空間平臺(tái)軌道速度大，機(jī)動(dòng)所需的速度變量（ΔV）也很大，需要消耗大量的推進(jìn)劑。平臺(tái)能獲得的速度變量大小與能進(jìn)行機(jī)動(dòng)次數(shù)的多少取決于攜帶的推進(jìn)劑的數(shù)量和類型。一般來說在同一軌道面內(nèi)改變軌道形狀或高度所需速度變量較小，而改變軌道傾角即改變軌道平面所需的速度變量較大。

表1 不同類型的空間軌道機(jī)動(dòng)所需的衛(wèi)星速度變量

空間平臺(tái)進(jìn)行一次機(jī)動(dòng)需要為其提供一個(gè)速度變量ΔV，而為了獲得ΔV需要消耗一定質(zhì)量的推進(jìn)劑，至于需要消耗多少推進(jìn)劑則是由推進(jìn)技術(shù)決定的。速度變量ΔV，獲得ΔV所需要消耗的推進(jìn)劑質(zhì)量Mp，平臺(tái)凈重Ms（不包括Mp），這三者之間的關(guān)系由“火箭公式”決定，其關(guān)系見表2。

表2 在使用常規(guī)化學(xué)推進(jìn)劑的情況下，ΔV與Mp/Ms的關(guān)系

目前的空間機(jī)動(dòng)平臺(tái)大多采用化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，像電推進(jìn)、離子推進(jìn)產(chǎn)生的推力小，沒有被應(yīng)用到新型空間機(jī)動(dòng)平臺(tái)的主動(dòng)力系統(tǒng)方面。表3列出了使用常規(guī)推進(jìn)劑技術(shù)的情況下，各種空間機(jī)動(dòng)所需要消耗的推進(jìn)劑質(zhì)量和航天器自重的比值大小。

美國高速驗(yàn)證機(jī)HTV

表3 空間機(jī)動(dòng)所需要消耗的推進(jìn)劑質(zhì)量和平臺(tái)自重的關(guān)系

軌道機(jī)動(dòng)能力比較

“空軍實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星系統(tǒng)”微衛(wèi)星（XSS-11）的總質(zhì)量145千克、推進(jìn)劑質(zhì)量15千克，Mp與Ms的比值為0.115，能產(chǎn)生約每秒0.3千米的速度變量，可在近地軌道完成一次從400千米到1000千米的軌道高度改變，軌道傾角的改變?cè)?°左右。

“軌道快車”平臺(tái)總質(zhì)量952千克、推進(jìn)劑質(zhì)量136千克，Mp與Ms的比值為0.167，能產(chǎn)生約每秒0.4千米的速度變量，可完成一次軌道傾角改變5°左右的軌道機(jī)動(dòng)。

X-37B的總質(zhì)量4990千克、推進(jìn)劑質(zhì)量1800千克，其中X-37B需要進(jìn)行離軌操作，還需要一定質(zhì)量的推進(jìn)劑。在不考慮返回的情況下，Mp與Ms的比值為0.564，能產(chǎn)生大約1千米/秒的速度變量。X-37B所實(shí)現(xiàn)的最大軌道機(jī)動(dòng)約為一次10°左右的軌道傾角的改變。

這三種新型空間機(jī)動(dòng)平臺(tái)在完成上述機(jī)動(dòng)后都將消耗掉全部推進(jìn)劑，無法再進(jìn)行其他的機(jī)動(dòng)。由此來看，目前已經(jīng)進(jìn)行演示驗(yàn)證的新型空間機(jī)動(dòng)飛行器的軌道平面改變機(jī)動(dòng)能力十分有限，難以滿足各種不同空間任務(wù)的需要，包括部署各種衛(wèi)星和對(duì)地攻擊武器，并在某一指定的空間集合地點(diǎn)對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行檢查、維修和補(bǔ)充燃料。美國軍方最初的這種設(shè)想缺乏技術(shù)支持。