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        鳳凰涅槃還是瞞天過海?

        2012-12-07 05:14:32
        太空探索 2012年10期
        關(guān)鍵詞:能力

        □ 遲 惑

        迄今為止,人類發(fā)射到地球靜止軌道上的通信衛(wèi)星已經(jīng)超過1300顆。當(dāng)然,其中大多數(shù)已經(jīng)報廢了。報廢的原因多種多樣,譬如燃料耗盡,行波管放大器衰竭;有的衛(wèi)星是被太陽風(fēng)暴掃了一下,一命嗚呼;也有的是因?yàn)榘l(fā)射前就存在缺陷,還沒有達(dá)到設(shè)計(jì)壽命就失效了。

        不過在所有這些“死”衛(wèi)星身上,有一種零件是輕易不會損壞的,那就是天線。一般來說,通信衛(wèi)星的天線,尤其是硬質(zhì)的拋物面天線,其自身沒有太多活動的機(jī)械部件或者電子零件,因此沒有什么可壞的。天線壽命往往可以比整星長好幾倍,它雖然看上去結(jié)構(gòu)簡單,但工藝卻相當(dāng)復(fù)雜。一般來說,天線占到衛(wèi)星成本的很大一部分。人類目前已經(jīng)發(fā)射的衛(wèi)星總價值達(dá)到3000億美元,那么就有值不少錢的天線在天上無所事事地漂浮著。需要指出的是,為了把這些衛(wèi)星及其天線發(fā)射到靜止軌道上去,還消耗了上千枚火箭和相應(yīng)的燃料。如果能再發(fā)射一些沒有天線的衛(wèi)星上天,把廢棄衛(wèi)星的天線拆下來裝到前者身上,不就可以組成新的工作衛(wèi)星了嗎,又省錢又環(huán)保,何樂而不為呢?

        如果這樣的兩顆衛(wèi)星都擺在地面的車間里,移植天線自然不難,但是要在35800千米外的太空里搞這么一出技術(shù)秀,可就要動些腦筋了。

        藝術(shù)家筆下的“鳳凰”計(jì)劃衛(wèi)星

        “鳳凰”計(jì)劃

        2012年2月,美國國防部高級研究計(jì)劃局,也就是著名的DARPA,向航天界提出了研究一種在太空中進(jìn)行廢物利用的辦法。具體的目標(biāo),就是開發(fā)空間機(jī)器人技術(shù),從處于墓地軌道或者失效軌道上的廢棄原GEO(地球同步軌道)通信衛(wèi)星上取下天線,加以利用,從而為美軍提供更經(jīng)濟(jì)適用的、持續(xù)的天基通信服務(wù)。之所以把GEO衛(wèi)星作為再利用的對象,是因?yàn)樗鼈兊耐ㄐ判Ч詈谩C儡妼Ρ攘薌EO、MEO、LEO星座、無人機(jī)和無人飛艇通信中繼后,發(fā)現(xiàn)還是GEO通信衛(wèi)星的性價比最好。尤其是GEO衛(wèi)星可以提供不間斷的通信保障,比無人機(jī)、無人飛艇這些留空時間有限的通信平臺強(qiáng)得多。如果能重復(fù)利用這些在軌天線,不但能得到高增益、長期持續(xù)覆蓋的天基通信能力,也可以挽救已經(jīng)花在天線研制和發(fā)射中的“沉沒成本”。

        或許是因?yàn)檫@樣的技術(shù)可以讓天線起死回生,DARPA為之起名為“鳳凰”,以求衛(wèi)星能夠浴火重生。

        除了技術(shù)問題,“鳳凰”計(jì)劃還要開展法律問題的研究。例如當(dāng)前的太空法律和國際協(xié)議,關(guān)于商業(yè)化太空救援的法律問題,等等。

        “鳳凰”計(jì)劃的高潮將是2015~2016年實(shí)施的在軌演示驗(yàn)證。期間將至少發(fā)射一組機(jī)器人航天器,選定一顆位于GEO軌道或墓地軌道上的廢棄靜止衛(wèi)星,用大約6個月的時間來實(shí)施拆除天線和再利用工作,所形成的新衛(wèi)星至少要能運(yùn)行48個月。

        具體來說,“鳳凰”計(jì)劃的目標(biāo)是開發(fā)以下三類技術(shù):

        演示驗(yàn)證一種新的衛(wèi)星設(shè)計(jì)與制造方法,應(yīng)用“細(xì)胞化”和“形態(tài)學(xué)重構(gòu)”概念來創(chuàng)造一種新的衛(wèi)星結(jié)構(gòu),稱為“SATLET”。

        在與目標(biāo)通信衛(wèi)星具有較大相對速度的情況下,從另一顆衛(wèi)星上用一種稱為“有效載荷在軌遞送系統(tǒng)”(PODS)的裝置,演示驗(yàn)證發(fā)射和釋放在軌小質(zhì)量系統(tǒng)。

        演示驗(yàn)證一種能在軌重構(gòu)合作退役衛(wèi)星的機(jī)器人衛(wèi)星,其次要功能是作為再利用體那先的通信中繼工具。這種技術(shù)稱為“服務(wù)器/看管器”。在概念上,“服務(wù)器”指裝有機(jī)器人設(shè)備的GEO航天器,可以執(zhí)行傳統(tǒng)的衛(wèi)星平臺功能;“看管器”指另一種GEO衛(wèi)星,可以在不接觸目標(biāo)的情況下實(shí)施射頻中繼、供電、軌道保持等操作。

        微型機(jī)械手

        “鳳凰”計(jì)劃中的機(jī)器人航天器

        “鳳凰”的飛行計(jì)劃

        要想達(dá)成“鳳凰”計(jì)劃的目標(biāo),必須在小傾角軌道上進(jìn)行操作,同時必須盡量避免傷及GEO軌道上的現(xiàn)役衛(wèi)星。因此在演示驗(yàn)證實(shí)施之前,會有一個政府科學(xué)小組精心選擇目標(biāo)衛(wèi)星,分析衛(wèi)星滾動的角速度,把重構(gòu)之后的衛(wèi)星從墓地軌道推回GEO軌道所需的最小速度增量,衛(wèi)星天線尺寸,等等。

        DARPA期望能在演示驗(yàn)證中完成以下一系列任務(wù):

        研制一套POD演示驗(yàn)證組建,并搭載于某顆GEO通信衛(wèi)星發(fā)射。POD上要攜帶鳳凰基本任務(wù)所需的硬件。之后才發(fā)射“服務(wù)器/看管器”。這個任務(wù)的目標(biāo)是驗(yàn)證POD研發(fā)標(biāo)準(zhǔn),并將其集成到現(xiàn)有商業(yè)衛(wèi)星上建造獨(dú)立的“服務(wù)器/看管器”,通過政府渠道發(fā)射到GEO軌道上臨近POD搭載星的位置。兩者接近到1千米左右時停止。這個任務(wù)的目標(biāo)是驗(yàn)證服務(wù)器/看管器平臺與系統(tǒng),驗(yàn)證交會對接傳感器套件及其軟件是否能發(fā)現(xiàn)并機(jī)動接近通信衛(wèi)星那樣的大型目標(biāo),并驗(yàn)證其實(shí)施任務(wù)操作、與商業(yè)衛(wèi)星伴飛的能力。

        待“服務(wù)器/看管器”到位、進(jìn)入視野后,POD搭載星實(shí)施“彈射”操作,把POD發(fā)射到宇宙空間里。“服務(wù)器/看管器”實(shí)施機(jī)動,接近正在自由飛行的POD,并用機(jī)械臂將其擒獲,放置在自身的儲物槽內(nèi)。這個任務(wù)的目標(biāo)是驗(yàn)證所謂“前端機(jī)器人使能近期演示驗(yàn)證”機(jī)械臂的操作能力,驗(yàn)證各種終端效應(yīng)工具,驗(yàn)證“服務(wù)器/看管器”安全捕獲和存放POD的能力;驗(yàn)證“人在回路中”的遙存在系統(tǒng);在地面使用恰當(dāng)?shù)慕缑婧投喾N星上敏感器,驗(yàn)證PRO套件有用于大型目標(biāo)(例如GEO通信衛(wèi)星)和小質(zhì)量目標(biāo)(例如POD)的強(qiáng)健性;驗(yàn)證有效載荷運(yùn)行設(shè)施及其團(tuán)隊(duì)與任務(wù)運(yùn)行設(shè)施及其團(tuán)隊(duì)之間的互操作性,以及與商業(yè)通信衛(wèi)星運(yùn)行中心的飛行協(xié)調(diào)。

        “服務(wù)器/看管器”靠自己的推力器飛離PODS搭載星,然后機(jī)動到GEO墓地軌道,找到目標(biāo)衛(wèi)星(指已經(jīng)廢棄的通信衛(wèi)星)并機(jī)動接近。需要指出的是,這個目標(biāo)衛(wèi)星必須是合作目標(biāo),也就是預(yù)先知道其特征和軌道參數(shù)的?!胺?wù)器/看管器”先抵達(dá)距目標(biāo)衛(wèi)星40千米處,然后逐步接近到100米。這個階段任務(wù)的目標(biāo)是驗(yàn)證“服務(wù)器/看管器”安全機(jī)動并與異軌衛(wèi)星交會的能力,驗(yàn)證PRO敏感器套件和軟件的能力,驗(yàn)證主任務(wù)運(yùn)行設(shè)施和團(tuán)隊(duì)的能力。

        “服務(wù)器/看管器”機(jī)動到距離目標(biāo)衛(wèi)星約1.5米處,用FREND機(jī)械臂及“鳳凰”計(jì)劃專門研制的工具捕捉之。之后,“服務(wù)器/看管器”將從自身儲物槽中取出一個SATLET,裝到目標(biāo)衛(wèi)星的星體上。這個任務(wù)的目標(biāo)是驗(yàn)證FREND及其他機(jī)器人工具捕捉另一空間物體的能力,驗(yàn)證有效載荷及任務(wù)運(yùn)行設(shè)施、團(tuán)隊(duì)之間能否安全地交互,驗(yàn)證“服務(wù)器/看管器”能否對一個新的、運(yùn)動學(xué)靜態(tài)的質(zhì)量體實(shí)施有力控制,驗(yàn)證“服務(wù)器/看管器”與目標(biāo)衛(wèi)星組合體的動力學(xué)性能和“服務(wù)器/看管器”的控制能力,驗(yàn)證其是否有有能力將一個SATLET放置到目標(biāo)衛(wèi)星任一主要表面上。以及SATLET能否穩(wěn)固地保持在這個表面上。此外,還需要驗(yàn)證以下過程的全部概念:打開PODS,把SATLET從PODS中推出,同步或協(xié)同使用多套機(jī)械臂和工具。

        “服務(wù)器/看管器”使用FREND把SATLET安裝到目標(biāo)衛(wèi)星天線的周圍。這個步驟可能需要“服務(wù)器/看管器”反復(fù)鎖緊或松開目標(biāo)衛(wèi)星上的不同位置,也就是“爬”到一個FREND能接觸到天線的地方。SATLET啟動,對天線進(jìn)行測試,然后關(guān)閉。此時天線還連接在目標(biāo)衛(wèi)星上。測試通過后,“服務(wù)器/看管器”用工具切開天線的支撐架,再用其他工具把天線從目標(biāo)衛(wèi)星上拆下來。這個任務(wù)的目的是驗(yàn)證“服務(wù)器/看管器”的敏感器組件和主機(jī)械臂抓緊、釋放、機(jī)動、再抓緊衛(wèi)星的能力,驗(yàn)證使用多臺機(jī)器人的能力和把SATLET安裝到現(xiàn)有天線上所需的當(dāng)?shù)貞B(tài)勢感知能力,驗(yàn)證SATLET在退役天線上的操作能力,在復(fù)雜操作過程中更換工具的能力,用一種工具把天線從退役衛(wèi)星上拆除的能力,在一個航天器上同時使用多種工具時的多動態(tài)質(zhì)量體機(jī)器人化控制能力。

        “服務(wù)器/看管器”松開目標(biāo)衛(wèi)星,并帶著天線機(jī)動到一個較遠(yuǎn)的位置,與目標(biāo)衛(wèi)星拉開安全距離。然后SATLET帶著天線再次啟動,驗(yàn)證其基本功能,驗(yàn)證完成后將天線丟棄,任其自由飛行。這個任務(wù)的目標(biāo)是驗(yàn)證退役天線收集射頻能量并將之傳送給“看管器”的能力,驗(yàn)證其余一個指定地面站建立鏈路后再關(guān)閉鏈路的能力,驗(yàn)證SATLET能對自身及天線(不包括“服務(wù)器/看管器”)實(shí)施基本的整體姿態(tài)控制。

        機(jī)器人航天器正在捕獲衛(wèi)星

        “鳳凰”與公司收購

        “鳳凰”計(jì)劃還在航天業(yè)界引發(fā)了一場不大不小的風(fēng)波。價值數(shù)千萬美元的“鳳凰”計(jì)劃早期的合同被世界五大衛(wèi)星制造商之一的美國空間系統(tǒng)勞拉公司獲得,但空間系統(tǒng)勞拉公司的母公司——勞拉空間與通信公司——卻認(rèn)為衛(wèi)星制造業(yè)賺錢不多,打算把這個子公司賣掉。

        與此同時,加拿大MDA公司一直對如何延長在軌通信衛(wèi)星的壽命很感興趣,曾經(jīng)考慮開發(fā)一種航天器,發(fā)射到靜止軌道上后能與燃料耗盡、但其他系統(tǒng)尚能工作的通信衛(wèi)星對接,充當(dāng)后者的燃料儲罐和推力器,使其繼續(xù)工作。而且,MDA公司還擅長制造空間機(jī)器人,航天飛機(jī)和國際空間站上用的機(jī)械手就是MDA公司的大作。MDA公司一直很想進(jìn)入美國軍用航天器市場,但受美國法律限制而一直未能如愿。

        空間系統(tǒng)勞拉公司被插上草標(biāo)待售的消息一出,MDA公司大喜過望,立刻籌資數(shù)億美元,決心將它買下。雙方一拍即合,估計(jì)在2012年秋天,空間系統(tǒng)勞拉公司就要換個東家了。而“鳳凰”計(jì)劃的承包商也就會變成MDA公司。

        地球附近廢棄的人造衛(wèi)星分布圖

        有這么單純嗎?

        就筆者看來,DARPA的“鳳凰”計(jì)劃固然有它廢物利用、節(jié)省資源的一面,但也存在著“醉翁之意不在酒”的另一面。廢棄衛(wèi)星上的天線固然有重復(fù)利用價值,但PODS加“服務(wù)器/看管器”的復(fù)雜組合不可能是廉價的,僅發(fā)射費(fèi)用就可能吃光天線再利用節(jié)省下來的錢。而且,衛(wèi)星總裝總測是精密復(fù)雜的工作,一般需要在潔凈車間里用大型工藝裝備、由多名技師經(jīng)過復(fù)雜流程才能完成。在軌道上用機(jī)器人來操作,能造出可用的衛(wèi)星嗎?

        但有一點(diǎn)是明白無誤的,“鳳凰”一旦研制成功,有能力把一顆衛(wèi)星的天線割下來。如果割天線的對象不是什么廢棄的“合作衛(wèi)星”,而是其他國家的現(xiàn)役衛(wèi)星,“鳳凰”就成了一種空間武器。一般通信衛(wèi)星是沒有自衛(wèi)能力的,需要定點(diǎn)工作的靜止軌道衛(wèi)星連逃跑的能力都沒有,只要被“服務(wù)器/看管器”盯上、被PODS附體,這顆衛(wèi)星可能就完蛋了。所以,“鳳凰”很有可能是以“挽救”為名行“摧毀”之實(shí)的一個空間進(jìn)攻性武器研究計(jì)劃。至少,它能為空間武器積累足夠的技術(shù)。

        攜帶機(jī)械臂的小衛(wèi)星編隊(duì)

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