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卫星再利用:太空上演“搭积木”

张玉民 张瑗敏
2019-03-08 09:14:15  来源:解放军报

制 图:李 涛

  经过数十年不间断的?#25945;?#21457;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?#25945;?#22120;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?#25945;?#22120;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?#25945;?#22120;”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。?#25945;?#22120;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、?#25945;?#22120;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?#39057;摹?#32454;胞星集成?#38469;?#23454;验”卫星进入太阳同?#28966;?#36947;,以进一步在轨验证卫星模块化兼容有效载荷的能力。

  传统?#25945;?#22120;普遍存在设计、制造和部署周期长、成本高等问题,?#23545;?#26080;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?#25945;?#22120;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?#25945;?#22120;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?#25945;?#22120;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?#25104;?#35745;、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?#38469;?#29942;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?#20445;?#22826;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?#22791;?#24565;。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?#24605;?#21010;?#20445;?#26088;在捕获退役的地球静止轨道卫星,再配合部?#20013;?#21457;射的卫星,实现在轨直接组装生成新卫星。

  赋予?#25945;?#22120;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?#21830;?#21152;通信、气象探测、导航定位等各?#27490;?#33021;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?#32426;?#19968;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?#25945;?#22120;发展升级的新形态。

  在“细胞星集成?#38469;?#23454;验”卫星发射升空之前,国际空间站就先后进行了多?#25991;?#22359;化构建?#25945;?#22120;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?#20445;?#23601;是由4颗“超级集?#19978;?#32990;星”模块化构建而成的。此次升空的“细胞星集成?#38469;?#23454;验”卫星?#25945;?#21253;含了14颗“超级集?#19978;?#32990;星?#20445;?#27599;个小的“细胞星”都是具有全?#31185;教?#23376;系统功能?#26408;?#21512;体。

  “超级集?#19978;?#32990;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?#19978;?#32990;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?#35780;?#26367;代其工作。

  “细胞星?#22791;?#24565;的出现给?#25945;?#22120;赋予了新的生命力,?#25945;?#22120;能够像?#19978;?#32990;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?#24605;?#21010;”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?#29031;?#21512;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?#38129;?#23637;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?#36828;?#37197;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?#25945;?#20998;解成数个在轨服务智能建造块,通过在轨装配和维护,延长?#25945;?#22120;使用寿命,同时减少太空垃圾的产生。事实上,模块化构建?#38469;?#30340;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?#25945;?#22120;发展的广阔应用前景,势必对全球?#25945;旒际?#20135;生深远影响。利用模块搭建?#25945;ǎ?#33021;灵活、快速实现客户需求和任务定制,大幅降低?#25945;?#22120;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?#20005;?#26377;运载能力束缚,进一步催生出超大型?#25945;?#22120;。此外,大量模块化构建的?#25945;?#22120;有助于增强空间系统的?#22815;?#24615;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?#26408;?#20107;应用前景。通过“凤?#24605;?#21010;?#20445;?#32654;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?#24605;?#21010;”发展的捕获和太空切割?#38469;酰?#23558;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?#30784;?#36890;过模块化构建?#38469;?#30452;接从敌方卫星上“窃取”部件,在打击敌人的同时还能壮大?#32422;海?#36825;就比单纯毁灭对手要更加高明。

  一旦模块化构建?#38469;?#21457;展成熟,具备“在轨组装卫星”能力的一方,其空间系统的?#22815;?#33021;力和快速恢复能力将得到大幅提升。

  

编辑:张苇柠

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