卫星再利用:太空上演“搭积木”

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发布时间:2019-03-08 22:38

制图:李涛

  经过数十年不间断的航天发射,目前的地球静止卫星轨道上存留了大量报废卫星。如果不能对这些报废卫星加以拆除利用,不仅会浪费众多太空资源,还会对在轨航天器的安全造成严重威胁。为此,科学家提出了卫星“即插即用”的新思路,在太空中对航天器进行“搭积木”组装再利用。

  事实上,早在20世纪70年代,美国就提出“模块化航天器”设计理念,仍在组网的第二代“铱星”商业卫星中就专门预留了通用接口和载荷安装空间。航天器模块化构建不仅是实现空间快速响应的重要途径,也将在空间系统快速构建、航天器在轨维修与功能扩展等方面发挥重要作用。

  破解太空探索难题

  日前,由美国国防部高级研究计划局支持研制的“细胞星集成技术实验”卫星进入太阳同步轨道,以进一步在轨验证卫星模块化兼容有效载荷的能力。

  传统航天器普遍存在设计、制造和部署周期长、成本高等问题,远远无法满足地面对空间系统能力支撑需求的快速增长。同时,现有航天器还存在功能单一、通用性不强、重构和升级复杂等问题。一项分析表明,目前航天器多是“独一无二”专门设计而成的,仅卫星研制成本中就有85%是重复性设计造成的。

  如果航天器组件能像计算机设备一样具有“即插即用”功能,将会显著降低空间系统设计、制造、测试和运行成本。更何况,束缚人类太空探索步伐的还有一项技术瓶颈,就是运载火箭发射能力的制约。如果能在外太空实现各功能模块的“按需使用”,太空探索也就不必“束手束脚”。

  2002年,美国开始研究能实施“太空抓捕”的高灵敏度太空机械臂,进而提供“在轨服务”。在模块化构建思路牵引下,美国在“作战响应空间”计划中提出了“即插即用卫星”概念。在上述研究基础上,美国国防部高级研究计划局于2011年进一步启动了“凤凰计划”,旨在捕获退役的地球静止轨道卫星,再配合部分新发射的卫星,实现在轨直接组装生成新卫星。

  赋予航天器新生命

  模块化构建的突出特点就是使用开放式架构。在中心基本架构基础上可添加通信、气象探测、导航定位等各种功能模块。按照模块化划分标准,可以把卫星整体划分成多个功能模块,每个功能模块都是独立整体,能独立完成一项或多项任务。由于各个功能模块采用了标准统一的接口,不同生产厂家生产的功能模块在机械、电信和数据接口上可以相互兼容,能较为方便地实施组装,势必催生航天器发展升级的新形态。

  在“细胞星集成技术实验”卫星发射升空之前,国际空间站就先后进行了多次模块化构建航天器的初步试验。2018年3月,“寄宿”在通信卫星上的“有效载荷在轨交付卫星”,就是由4颗“超级集成细胞星”模块化构建而成的。此次升空的“细胞星集成技术实验”卫星平台包含了14颗“超级集成细胞星”,每个小的“细胞星”都是具有全部平台子系统功能的聚合体。

  “超级集成细胞星”聚合体就好比电脑主板上的中央处理器,相互之间通过开源软件共享电力、姿态控制和数据处理资源,且中央处理器的运行数量也可通过软件实时改变,就跟搭积木一样简单。即便是“超级集成细胞星”中某一个出现了故障,其他“细胞星”上的相关分系统也可通过软件控制来替代其工作。

  “细胞星”概念的出现给航天器赋予了新的生命力,航天器能够像由细胞构成的有机生命体一般,实现自我重组和替换修复。“细胞星”只是“凤凰计划”中关于“组装卫星”的一小步。未来还将建立起面向重复利用的在轨服务支援体系,通过对废弃卫星上的元器件进行回收,最终整合构建成新的可再利用卫星。

  此外,为确保未来战争中能及时补充和维护失效军用卫星,美国还提出“作战响应空间计划”。通过部署快速响应、低成本、面向战术特点的小卫星,作为大型空间系统的有效补充和增强。2006年,美国空军研究实验室开展了“即插即用卫星”演示验证项目,通过采用开放式标准和接口,使用自识别组件,实现模块化卫星的系统自动配置功能,进一步压缩了卫星系统的部署时间和所需成本。

  未来应用潜力巨大

  除美国外,德国宇航局也推出一项研究项目,主要思路是将传统卫星平台分解成数个在轨服务智能建造块,通过在轨装配和维护,延长航天器使用寿命,同时减少太空垃圾的产生。事实上,模块化构建技术的出现,在太空环境保护上确实是一项有益之举。

  模块化构建展示了未来航天器发展的广阔应用前景,势必对全球航天技术产生深远影响。利用模块搭建平台,能灵活、快速实现客户需求和任务定制,大幅降低航天器的全寿命成本,进一步缩短部署周期。通过分批发射的不同模块实现在轨装配,还将摆脱现有运载能力束缚,进一步催生出超大型航天器。此外,大量模块化构建的航天器有助于增强空间系统的抗毁性和可靠性,使之更易于维护升级。

  事实上,模块化构建还有着巨大的军事应用前景。通过“凤凰计划”,美军试图建立反卫星作战的新模式。当需要攻击敌方卫星时,可直接利用“凤凰计划”发展的捕获和太空切割技术,将敌方的在轨卫星拆除破坏。还可以利用专门开发的卫星基件,更换敌方卫星的信息处理装置,实现对敌方卫星的“换脑”式控制或策反。通过模块化构建技术直接从敌方卫星上“窃取”部件,在打击敌人的同时还能壮大自己,这就比单纯毁灭对手要更加高明。

  一旦模块化构建技术发展成熟,具备“在轨组装卫星”能力的一方,其空间系统的抗毁能力和快速恢复能力将得到大幅提升。(张玉民 张瑗敏)

 

(责编:刘金波(实习生)、芈金)

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