制圖：李濤
經(jīng)過數(shù)十年不間斷的航天發(fā)射，目前的地球靜止衛(wèi)星軌道上存留了大量報廢衛(wèi)星。如果不能對這些報廢衛(wèi)星加以拆除利用，不僅會浪費眾多太空資源，還會對在軌航天器的安全造成嚴重威脅。為此，科學家提出了衛(wèi)星“即插即用”的新思路，在太空中對航天器進行“搭積木”組裝再利用。
事實上，早在20世紀70年代，美國就提出“模塊化航天器”設(shè)計理念，仍在組網(wǎng)的第二代“銥星”商業(yè)衛(wèi)星中就專門預(yù)留了通用接口和載荷安裝空間。航天器模塊化構(gòu)建不僅是實現(xiàn)空間快速響應(yīng)的重要途徑，也將在空間系統(tǒng)快速構(gòu)建、航天器在軌維修與功能擴展等方面發(fā)揮重要作用。
破解太空探索難題
日前，由美國國防部高級研究計劃局支持研制的“細胞星集成技術(shù)實驗”衛(wèi)星進入太陽同步軌道，以進一步在軌驗證衛(wèi)星模塊化兼容有效載荷的能力。
傳統(tǒng)航天器普遍存在設(shè)計、制造和部署周期長、成本高等問題，遠遠無法滿足地面對空間系統(tǒng)能力支撐需求的快速增長。同時，現(xiàn)有航天器還存在功能單一、通用性不強、重構(gòu)和升級復雜等問題。一項分析表明，目前航天器多是“獨一無二”專門設(shè)計而成的，僅衛(wèi)星研制成本中就有85%是重復性設(shè)計造成的。
如果航天器組件能像計算機設(shè)備一樣具有“即插即用”功能，將會顯著降低空間系統(tǒng)設(shè)計、制造、測試和運行成本。更何況，束縛人類太空探索步伐的還有一項技術(shù)瓶頸，就是運載火箭發(fā)射能力的制約。如果能在外太空實現(xiàn)各功能模塊的“按需使用”，太空探索也就不必“束手束腳”。
2002年，美國開始研究能實施“太空抓捕”的高靈敏度太空機械臂，進而提供“在軌服務(wù)”。在模塊化構(gòu)建思路牽引下，美國在“作戰(zhàn)響應(yīng)空間”計劃中提出了“即插即用衛(wèi)星”概念。在上述研究基礎(chǔ)上，美國國防部高級研究計劃局于2011年進一步啟動了“鳳凰計劃”，旨在捕獲退役的地球靜止軌道衛(wèi)星，再配合部分新發(fā)射的衛(wèi)星，實現(xiàn)在軌直接組裝生成新衛(wèi)星。
賦予航天器新生命
模塊化構(gòu)建的突出特點就是使用開放式架構(gòu)。在中心基本架構(gòu)基礎(chǔ)上可添加通信、氣象探測、導航定位等各種功能模塊。按照模塊化劃分標準，可以把衛(wèi)星整體劃分成多個功能模塊，每個功能模塊都是獨立整體，能獨立完成一項或多項任務(wù)。由于各個功能模塊采用了標準統(tǒng)一的接口，不同生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的功能模塊在機械、電信和數(shù)據(jù)接口上可以相互兼容，能較為方便地實施組裝，勢必催生航天器發(fā)展升級的新形態(tài)。
在“細胞星集成技術(shù)實驗”衛(wèi)星發(fā)射升空之前，國際空間站就先后進行了多次模塊化構(gòu)建航天器的初步試驗。2018年3月，“寄宿”在通信衛(wèi)星上的“有效載荷在軌交付衛(wèi)星”，就是由4顆“超級集成細胞星”模塊化構(gòu)建而成的。此次升空的“細胞星集成技術(shù)實驗”衛(wèi)星平臺包含了14顆“超級集成細胞星”，每個小的“細胞星”都是具有全部平臺子系統(tǒng)功能的聚合體。
“超級集成細胞星”聚合體就好比電腦主板上的中央處理器，相互之間通過開源軟件共享電力、姿態(tài)控制和數(shù)據(jù)處理資源，且中央處理器的運行數(shù)量也可通過軟件實時改變，就跟搭積木一樣簡單。即便是“超級集成細胞星”中某一個出現(xiàn)了故障，其他“細胞星”上的相關(guān)分系統(tǒng)也可通過軟件控制來替代其工作。
“細胞星”概念的出現(xiàn)給航天器賦予了新的生命力，航天器能夠像由細胞構(gòu)成的有機生命體一般，實現(xiàn)自我重組和替換修復�！凹毎恰敝皇恰傍P凰計劃”中關(guān)于“組裝衛(wèi)星”的一小步。未來還將建立起面向重復利用的在軌服務(wù)支援體系，通過對廢棄衛(wèi)星上的元器件進行回收，最終整合構(gòu)建成新的可再利用衛(wèi)星。
此外，為確保未來戰(zhàn)爭中能及時補充和維護失效軍用衛(wèi)星，美國還提出“作戰(zhàn)響應(yīng)空間計劃”。通過部署快速響應(yīng)、低成本、面向戰(zhàn)術(shù)特點的小衛(wèi)星，作為大型空間系統(tǒng)的有效補充和增強。2006年，美國空軍研究實驗室開展了“即插即用衛(wèi)星”演示驗證項目，通過采用開放式標準和接口，使用自識別組件，實現(xiàn)模塊化衛(wèi)星的系統(tǒng)自動配置功能，進一步壓縮了衛(wèi)星系統(tǒng)的部署時間和所需成本。
未來應(yīng)用潛力巨大
除美國外，德國宇航局也推出一項研究項目，主要思路是將傳統(tǒng)衛(wèi)星平臺分解成數(shù)個在軌服務(wù)智能建造塊，通過在軌裝配和維護，延長航天器使用壽命，同時減少太空垃圾的產(chǎn)生。事實上，模塊化構(gòu)建技術(shù)的出現(xiàn)，在太空環(huán)境保護上確實是一項有益之舉。
模塊化構(gòu)建展示了未來航天器發(fā)展的廣闊應(yīng)用前景，勢必對全球航天技術(shù)產(chǎn)生深遠影響。利用模塊搭建平臺，能靈活、快速實現(xiàn)客戶需求和任務(wù)定制，大幅降低航天器的全壽命成本，進一步縮短部署周期。通過分批發(fā)射的不同模塊實現(xiàn)在軌裝配，還將擺脫現(xiàn)有運載能力束縛，進一步催生出超大型航天器。此外，大量模塊化構(gòu)建的航天器有助于增強空間系統(tǒng)的抗毀性和可靠性，使之更易于維護升級。
事實上，模塊化構(gòu)建還有著巨大的軍事應(yīng)用前景。通過“鳳凰計劃”，美軍試圖建立反衛(wèi)星作戰(zhàn)的新模式。當需要攻擊敵方衛(wèi)星時，可直接利用“鳳凰計劃”發(fā)展的捕獲和太空切割技術(shù)，將敵方的在軌衛(wèi)星拆除破壞。還可以利用專門開發(fā)的衛(wèi)星基件，更換敵方衛(wèi)星的信息處理裝置，實現(xiàn)對敵方衛(wèi)星的“換腦”式控制或策反。通過模塊化構(gòu)建技術(shù)直接從敵方衛(wèi)星上“竊取”部件，在打擊敵人的同時還能壯大自己，這就比單純毀滅對手要更加高明。
一旦模塊化構(gòu)建技術(shù)發(fā)展成熟，具備“在軌組裝衛(wèi)星”能力的一方，其空間系統(tǒng)的抗毀能力和快速恢復能力將得到大幅提升。（張玉民 張瑗敏）