陳羅婧 郝金華 袁春柱 傅丹膺

（1 航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094）（2 北京控制工程研究所，北京 100190）

1 引言

地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星以其獨(dú)特的軌道特性，在民用和軍用領(lǐng)域正發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。GEO 衛(wèi)星的損壞和失效將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和極大的社會(huì)影響。GEO 是人類在太空僅有的一條獨(dú)特的軌道，是極其珍貴的軌道資源。GEO 軌道上運(yùn)行著大量高價(jià)值的GEO 衛(wèi)星，在通信、導(dǎo)航、預(yù)警、氣象等民用和軍用領(lǐng)域正發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用［1］。有很多GEO 衛(wèi)星因達(dá)到了正常使用壽命、燃料耗盡、報(bào)廢，或因某一部件故障而退役，但是它們?nèi)杂性S多能正常工作的昂貴零部件。因此，為了盡可能挽回GEO 衛(wèi)星故障或失效造成的損失，并有效保護(hù)GEO 軌道資源，各國(guó)正在研究以非合作目標(biāo)交會(huì)、衛(wèi)星維修、壽命延長(zhǎng)及軌道垃圾清除為目的的在軌服務(wù)技術(shù)。2012年7月，美國(guó)國(guó)防預(yù)先研究計(jì)劃局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）啟動(dòng)了“鳳凰”計(jì)劃（Phoenix program），該計(jì)劃旨在開(kāi)發(fā)、演示聯(lián)合回收技術(shù)，重新利用已經(jīng)退役或終止壽命的GEO 衛(wèi)星上的有價(jià)值部件（如大孔徑天線）來(lái)組建新航天器，能夠降低新型空間設(shè)備的開(kāi)發(fā)成本和風(fēng)險(xiǎn)。

2 在軌服務(wù)技術(shù)研究現(xiàn)狀

美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）、歐洲航天局（ESA）以及日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）等航天科研機(jī)構(gòu)都對(duì)在軌服務(wù)技術(shù)表現(xiàn)出了高度的關(guān)注，在航天器自主在軌服務(wù)技術(shù)上均開(kāi)展了大量的研究工作，目前已提出或?qū)嵤┝硕囗?xiàng)研究計(jì)劃，取得了重要的進(jìn)展。如美國(guó)的“軌道快車”（Orbital Express）項(xiàng)目，利用三叉形對(duì)接機(jī)構(gòu)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了與空間合作目標(biāo)的自主在軌對(duì)接。美國(guó)于2008年底到2009年初利用“微小衛(wèi)星技術(shù)試驗(yàn)”（Micro-Satellite Technology Experiment，MiTEx）系統(tǒng)對(duì)其在軌失效的國(guó)防支援計(jì)劃-23（DSP-23）導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星進(jìn)行在軌監(jiān)測(cè)。中國(guó)的神舟八號(hào)、神舟九號(hào)和神舟十號(hào)與天宮一號(hào)，在交會(huì)對(duì)接設(shè)備的引導(dǎo)下分別完成了多次自動(dòng)交會(huì)對(duì)接。

國(guó)內(nèi)外至今還尚未實(shí)現(xiàn)與非合作目標(biāo)的自主在軌對(duì)接捕獲，與非合作目標(biāo)的對(duì)接捕獲技術(shù)還正在研究中。目前，美國(guó)、ESA 以及日本等紛紛提出針對(duì)非合作目標(biāo)的在軌服務(wù)計(jì)劃和任務(wù)。美國(guó)軌道復(fù)活公司（Orbital Recovery Corp）正在開(kāi)發(fā)一種名為“軌道延壽飛行器”（OLEV）的太空拖車，可以同GEO上任何一種三軸穩(wěn)定衛(wèi)星相結(jié)合（見(jiàn)圖1），能為質(zhì)量在2500kg以下的燃料耗盡衛(wèi)星延長(zhǎng)10年工作壽命［2］。德國(guó)航空航天研究院（DLR）針對(duì)民用GEO衛(wèi)星，提出“試驗(yàn)服務(wù)衛(wèi)星”（ESS）（見(jiàn)圖2），應(yīng)用空間機(jī)器人技術(shù)，解決在地球靜止軌道上運(yùn)行的非合作目標(biāo)衛(wèi)星的在軌維護(hù)問(wèn)題。ESS以實(shí)際故障衛(wèi)星為目標(biāo)，有針對(duì)性地對(duì)自主臨近作業(yè)技術(shù)衛(wèi)星進(jìn)行了研究。在“軌道快車”計(jì)劃后，美國(guó)重點(diǎn)發(fā)展了針對(duì)非合作目標(biāo)的新一代空間機(jī)器人——“前端機(jī)器人使能近期演示驗(yàn)證”（The Front-end Robotics Enabling Next-term Demonstration，F(xiàn)REND）計(jì)劃。從功能上看，F(xiàn)REND 計(jì)劃是研制了一種空間機(jī)器人，其主要作用包括：①對(duì)于合作目標(biāo)的航天器，能夠進(jìn)行在軌維修、轉(zhuǎn)移并安裝替換單元、補(bǔ)充燃料等，這種服務(wù)能使在軌航天器延長(zhǎng)5～15年的壽命；②對(duì)于非合作目標(biāo)的航天器，能夠進(jìn)行位置保持、姿態(tài)控制、軌道轉(zhuǎn)移和修正［3］，如圖3所示。

圖1 OLEV 在軌對(duì)接示意圖Fig．1 OLEV docking with the target

圖2 ESS衛(wèi)星概念圖Fig．2 Concept of the DLR’s ESS system

圖3 FREND 抓捕目標(biāo)和軌道轉(zhuǎn)移示意圖Fig．3 FREND grappling and maneuvering with target

表1匯總了國(guó)外針對(duì)高軌非合作目標(biāo)進(jìn)行在軌服務(wù)的項(xiàng)目現(xiàn)狀［1，4］，由于存在著一些技術(shù)難題，如非合作目標(biāo)測(cè)量，非合作目標(biāo)跟蹤、接近、?？康淖灾鲗?dǎo)航、制導(dǎo)與控制（GNC）技術(shù)，非合作目標(biāo)抓捕與對(duì)接技術(shù)等。大多數(shù)的任務(wù)只完成了概念設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)地面演示驗(yàn)證。

表1 GEO 在軌服務(wù)項(xiàng)目（針對(duì)非合作目標(biāo)）Table 1 GEO orbital servicing system（for non-cooperative target）

3 “鳳凰”計(jì)劃及其關(guān)鍵技術(shù)

美國(guó)繼2007年通過(guò)“軌道快車”衛(wèi)星演示低軌航天器（距地面492km）的在軌維修服務(wù)能力后，又開(kāi)展了針對(duì)空間機(jī)械臂自主抓捕非合作目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)演示驗(yàn)證項(xiàng)目——FREND，希望開(kāi)發(fā)出能夠?yàn)楝F(xiàn)有衛(wèi)星（尤其是位于高軌道的衛(wèi)星）提供在軌服務(wù)的技術(shù)。FREND 項(xiàng)目能夠利用多自由度機(jī)械臂自主抓取空間物體，為航天器提供救援、修理、空間碎片移除服務(wù)，以延長(zhǎng)航天器的壽命。在FREND項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，DARPA 又提出了針對(duì)GEO 衛(wèi)星的重用計(jì)劃——“鳳凰”計(jì)劃，其力圖通過(guò)創(chuàng)新發(fā)射、部署方式的突破，探索新型在軌服務(wù)模式，建立起一個(gè)面向重復(fù)利用的在軌服務(wù)支援體系?！傍P凰”計(jì)劃的設(shè)想是發(fā)展一種從廢棄衛(wèi)星上搶救、再利用零部件（如天線）的技術(shù)。其方案是從一顆退役衛(wèi)星上“剝離”大型天線（如圖4所示），并重新構(gòu)造一顆新衛(wèi)星，置于GEO 軌道?！傍P凰”計(jì)劃瞄準(zhǔn)了衛(wèi)星成本的主要因素——天線，并且對(duì)其進(jìn)行再利用［4-5］，計(jì)劃在2015年至2016年實(shí)現(xiàn)“鳳凰”計(jì)劃的在軌演示驗(yàn)證。

圖4 服務(wù)航天器從退役衛(wèi)星上切割有用的天線Fig．4 Remove antenna from retired spacecraft

3．1 “鳳凰”計(jì)劃概況

在“鳳凰”計(jì)劃中，整個(gè)大系統(tǒng)主要包括以下3個(gè)創(chuàng)新系統(tǒng)［6］：

（1）有效載荷在軌交付系統(tǒng)（payload orbital delivery system，PODS）：作為有效載荷搭載到商業(yè)衛(wèi)星上并發(fā)射到GEO 軌道，之后，通過(guò)商業(yè)衛(wèi)星上的彈射裝置，將PODS在軌釋放。

（2）服務(wù)航天器（Servicer／Tender）：裝有機(jī)械臂，能利用退役的在軌衛(wèi)星上的天線重新構(gòu)造一顆新的通信衛(wèi)星，并帶著新衛(wèi)星進(jìn)行軌道轉(zhuǎn)移，作為新衛(wèi)星的中繼通信站和無(wú)線能量傳輸站（如圖5所示）。

圖5 向模塊衛(wèi)星進(jìn)行能量傳輸Fig．5 Beam energy for satlets

（3）模塊衛(wèi)星（satlets）：放在有效載荷軌道交付系統(tǒng)（PODS）內(nèi)作為搭載有效載荷。模塊衛(wèi)星功能各異，但設(shè)計(jì)均為標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)有效載荷在軌交付系統(tǒng)和服務(wù)航天器上的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)接口。

“鳳凰”計(jì)劃在軌任務(wù)將由PODS搭載發(fā)射、服務(wù)航天器發(fā)射入軌、釋放PODS、捕獲并儲(chǔ)放PODS、與退役衛(wèi)星交會(huì)接近、安裝模塊衛(wèi)星、切割天線、將新衛(wèi)星移至新運(yùn)行地點(diǎn)等8 個(gè)步驟完成［6-7］（見(jiàn)圖6）：①PODS作為有效載荷搭載在地球靜止軌道商業(yè)衛(wèi)星上，發(fā)射上天；②服務(wù)航天器將發(fā)射到相鄰地球靜止軌道上；③服務(wù)航天器接近到距離搭載PODS的地球靜止軌道衛(wèi)星1km 位置后，地球靜止軌道衛(wèi)星釋放PODS；④服務(wù)航天器與自由漂浮狀態(tài)的PODS交會(huì)逼近，用機(jī)械臂捕獲PODS，并將其儲(chǔ)放到專門(mén)用于存放PODS的工具帶（toolbelt）上；⑤服務(wù)航天器隨后與退役衛(wèi)星交會(huì)，從40km 開(kāi)始逼近到1．5m 的位置，捕獲退役衛(wèi)星；⑥服務(wù)航天器利用機(jī)械臂把多個(gè)具有不同功能（如具有饋源和轉(zhuǎn)發(fā)器、姿態(tài)控制等功能）的模塊衛(wèi)星安裝到退役衛(wèi)星的天線上，集成新衛(wèi)星；⑦機(jī)械臂將與退役衛(wèi)星平臺(tái)連接的天線支撐桿切斷，并將天線拆下；⑧服務(wù)航天器攜帶新衛(wèi)星變軌到GEO 上的新運(yùn)行地點(diǎn)后釋放新衛(wèi)星，并停泊在與新衛(wèi)星相距不遠(yuǎn)的位置上，向新衛(wèi)星提供中繼通信、無(wú)線能量傳輸和軌道保持功能。

圖6 在軌任務(wù)想定Fig．6 Notional demonstration scenario

美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室（NRL）是“鳳凰”計(jì)劃的系統(tǒng)集成者。DARPA已為“鳳凰”計(jì)劃第一階段工作選定了各領(lǐng)域的承包商，包括從航空航天和通信業(yè)的巨頭到新興企業(yè)共5家公司，這些承包商有：Altius太空機(jī)械公司，Intelsat通用公司，極光飛行科學(xué)公司（NovaWurks），NASA 噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，勞拉空間系統(tǒng)公司。他們將對(duì)“鳳凰”計(jì)劃所涉及的部分關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行概念研究和原理樣機(jī)研制?！傍P凰”計(jì)劃的5年實(shí)施路線共分三個(gè)階段（見(jiàn)圖7）［6，8］：

第一階段：早期獨(dú)立研究階段。各承制商完成初步設(shè)計(jì)評(píng)審（相當(dāng)于系統(tǒng)概念評(píng)審）和原理樣機(jī)研制；該階段計(jì)劃歷時(shí)14個(gè)月，原計(jì)劃于2013年8月結(jié)束。

第二階段：設(shè)計(jì)、制造、集成、地面驗(yàn)證試驗(yàn)、系統(tǒng)測(cè)試階段。第二階段由2個(gè)子階段組成：2a為方案設(shè)計(jì)階段，投標(biāo)商組成團(tuán)隊(duì)共同設(shè)計(jì)總體解決方案；2b為研制階段，在第二階段的第4個(gè)月啟動(dòng)，計(jì)劃2015年下半年完成PODS 的研制工作，搭載在GEO 商業(yè)通信衛(wèi)星上發(fā)射，2015年年底完成服務(wù)航天器的相關(guān)環(huán)境試驗(yàn)。該階段計(jì)劃歷時(shí)26個(gè)月。

圖7 “鳳凰”計(jì)劃實(shí)施路線圖（按財(cái)年）Fig．7 Notional program timeline（in Government FY）

第三階段：發(fā)射、在軌試驗(yàn)工作階段。完成服務(wù)航天器的研制工作并發(fā)射。在軌試驗(yàn)時(shí)間為12個(gè)月，衛(wèi)星壽命為54個(gè)月。第三階段由2個(gè)子階段組成，分別為6個(gè)月：3a為考核試驗(yàn)階段；3b為擴(kuò)展試驗(yàn)階段。

3．2 “鳳凰”計(jì)劃的關(guān)鍵技術(shù)

3．2．1 PODS總體設(shè)計(jì)技術(shù)

多個(gè)模塊衛(wèi)星將折疊放入有效載荷在軌交付系統(tǒng)（PODS）中，搭載在商業(yè)衛(wèi)星上，作為搭載有效載荷進(jìn)入地球靜止軌道。通過(guò)現(xiàn)有商業(yè)通信衛(wèi)星的搭載接口標(biāo)準(zhǔn)研究，制定PODS 搭載接口研制規(guī)范，可以充分利用商業(yè)通信衛(wèi)星的發(fā)射獲得搭載機(jī)會(huì)。PODS的整體結(jié)構(gòu)形成“適配載體＋功能載荷”的標(biāo)準(zhǔn)化模式，采用標(biāo)準(zhǔn)化接口，包括標(biāo)準(zhǔn)化的機(jī)械接口、電氣接口、數(shù)據(jù)接口、熱接口等，既能適應(yīng)商業(yè)通信衛(wèi)星上的搭載接口，又能適應(yīng)服務(wù)航天器上的工具帶，其概念設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖8［8］。

圖8 PODS概念設(shè)計(jì)圖Fig．8 Sample PODS

3．2．2 模塊衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)技術(shù)

模塊衛(wèi)星以功能模塊形式構(gòu)成新衛(wèi)星的各子系統(tǒng)，例如：安裝在舊天線的饋源處替代饋源和轉(zhuǎn)發(fā)器；安裝在天線背部的多個(gè)模塊衛(wèi)星共同進(jìn)行新衛(wèi)星的姿態(tài)控制，如圖9所示［9］。

圖9 模塊衛(wèi)星安裝示意圖Fig．9 Example of satlet aggregation for Phoenix

“鳳凰”計(jì)劃擬利用“細(xì)胞形態(tài)學(xué)理論”進(jìn)行模塊衛(wèi)星的設(shè)計(jì)，每一個(gè)“細(xì)胞”為縮小的傳統(tǒng)衛(wèi)星的子系統(tǒng)或組件，如電源、姿態(tài)控制、熱控、推進(jìn)等。任意數(shù)量和幾何形狀的“細(xì)胞”裝配到一起構(gòu)成一顆模塊衛(wèi)星，其概念設(shè)計(jì)見(jiàn)圖10［9］。利用這種可替換的衛(wèi)星體系架構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)模塊衛(wèi)星的大批量生產(chǎn)、低成本和標(biāo)準(zhǔn)化。

圖10 模塊衛(wèi)星概念設(shè)計(jì)圖Fig．10 Satlets’s concept

3．2．3 機(jī)械臂技術(shù)

“鳳凰”計(jì)劃中服務(wù)航天器將安裝FREND 的七自由度機(jī)械臂（見(jiàn)圖11）和下一代靈巧機(jī)械臂（見(jiàn)圖12）。精巧靈活的機(jī)械臂系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜在軌服務(wù)操作的關(guān)鍵部件，其相關(guān)技術(shù)是在軌服務(wù)研究的難點(diǎn)之一。一方面，機(jī)械臂本身的機(jī)械設(shè)計(jì)十分復(fù)雜；另一方面，在特殊空間環(huán)境下對(duì)機(jī)械臂的綜合控制十分困難。

圖11 FREND 原理樣機(jī)Fig．11 FENDD prototype arm

圖12 下一代靈巧機(jī)械臂Fig．12 Next generation hyper-dexterous arm

機(jī)械臂技術(shù)包括了多項(xiàng)核心技術(shù)：

（1）機(jī)械臂設(shè)計(jì)：空間機(jī)械臂的構(gòu)型設(shè)計(jì)主要由關(guān)節(jié)自由度配置和關(guān)節(jié)間連桿尺寸兩個(gè)方面決定。進(jìn)行機(jī)械臂的構(gòu)型設(shè)計(jì)時(shí)考慮的主要因素有：運(yùn)動(dòng)學(xué)特性、安裝與折疊性要求以及動(dòng)力學(xué)特性。

（2）遙操作技術(shù)：空間機(jī)械臂遙操作中最主要的問(wèn)題，是空間與地面通信中的時(shí)間延遲以及有限的數(shù)據(jù)傳輸帶寬。該技術(shù)又涉及預(yù)測(cè)仿真、在軌系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)、時(shí)延建模等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

（3）多臂控制技術(shù)：對(duì)安裝于一個(gè)航天器上的多個(gè)機(jī)械臂進(jìn)行協(xié)調(diào)控制比對(duì)單臂的控制更困難。多個(gè)機(jī)械臂的機(jī)械手將同時(shí)在負(fù)載內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，如果應(yīng)力不受限制，機(jī)械臂的關(guān)節(jié)力矩所產(chǎn)生的力，可能損壞負(fù)載或機(jī)械臂自身。服務(wù)航天器還需多臂協(xié)調(diào)作業(yè)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜精細(xì)操作。2012年3月，“國(guó)際空間站”上的“專用靈巧機(jī)械手”（Dextre）利用“機(jī)器人燃料加注任務(wù)”（RRM）的導(dǎo)線切割工具，進(jìn)行了一次最為復(fù)雜的操作：切開(kāi)了兩條扭在一起的直徑僅有0．5mm 的雙絞線。

3．2．4 新型在軌捕獲技術(shù)

NASA 噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）將為“鳳凰”計(jì)劃提供一種名為“壁虎-粘附器”（Gecko-Gripper）的粘合墊，安裝在Altius太空機(jī)械公司建造的可展開(kāi)吊桿上，用于進(jìn)行在軌捕獲，如圖13所示。其工作原理是模仿壁虎腳趾面的粘附機(jī)理，利用柔性微納米陣列與固體表面之間的范德華力實(shí)現(xiàn)粘附。該粘附結(jié)構(gòu)具有粘附力大，對(duì)任意形貌的材料表面的適應(yīng)性，對(duì)物體表面不會(huì)造成損傷，自潔、反復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)外在仿壁虎粘附陣列的研制方面已經(jīng)做了大量工作，并取得很大的進(jìn)展。這些微納米粘附陣列能確保足底和墻壁接觸面積大，進(jìn)而使范德華黏性達(dá)到最大化。目前，仿壁虎微納米粘附陣列還未在空間實(shí)際應(yīng)用，其在空間環(huán)境超低溫、冷熱循環(huán)下的穩(wěn)定性，空間輻照環(huán)境下的影響效應(yīng)等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)尚待突破。

圖13 可展開(kāi)吊桿及“壁虎-粘附器”Fig．13 Sticky boom and gecko-gripper

3．2．5 臨近測(cè)量與識(shí)別技術(shù)

服務(wù)航天器在進(jìn)行跟蹤接近和捕獲目標(biāo)時(shí)，需要對(duì)目標(biāo)進(jìn)行特征識(shí)別，以實(shí)現(xiàn)對(duì)相對(duì)位置及姿態(tài)的估計(jì)。臨近測(cè)量與識(shí)別敏感器既要對(duì)通信衛(wèi)星等大目標(biāo)和PODS等小目標(biāo)的跟蹤接近提供信息支撐，又要對(duì)退役衛(wèi)星狀況的檢查和機(jī)械臂操作提供信息支持。測(cè)量系統(tǒng)的精度、準(zhǔn)確度和信息獲取與處理的實(shí)時(shí)性，直接影響到交會(huì)對(duì)接的成功與否以及任務(wù)執(zhí)行的效果。非合作目標(biāo)由于沒(méi)有配備目標(biāo)標(biāo)識(shí)器，因此得到的目標(biāo)信息通常是不完備和不精確的，因此如何給出高精度的相對(duì)導(dǎo)航信息是難點(diǎn)之一。表2中為服務(wù)航天器攜帶的敏感器組合的主要性能參數(shù)。

表2 敏感器組合的主要性能參數(shù)Table 2 Sensor suite performance

3．2．6 捕獲后組合體穩(wěn)定的協(xié)調(diào)控制技術(shù)

服務(wù)航天器捕獲GEO 目標(biāo)后，組合體（包括服務(wù)航天器及捕獲的衛(wèi)星）的質(zhì)量特性和動(dòng)量都將發(fā)生突變，基座及機(jī)械臂原有的控制參數(shù)在質(zhì)量特性、系統(tǒng)動(dòng)量發(fā)生突變的情況下，不但不能滿足控制性能要求，而且會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)失穩(wěn)，嚴(yán)重的可能使組合體在空間翻滾。因此，捕獲后組合體的穩(wěn)定控制極其重要，是保證后續(xù)順利開(kāi)展對(duì)目標(biāo)進(jìn)行操作的前提。目前的研究方法多是假定目標(biāo)的質(zhì)量、慣量及運(yùn)動(dòng)速度已知，基于捕獲前對(duì)抓捕后情況的預(yù)估而進(jìn)行的規(guī)劃和控制研究，并未考慮完成捕獲后的組合體的穩(wěn)定控制問(wèn)題。在完成捕獲目標(biāo)后，組合體的質(zhì)量、慣量、質(zhì)心位置發(fā)生突變，應(yīng)充分考慮這些可能的變化，對(duì)組合體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和質(zhì)心位置等進(jìn)行在軌自主辨識(shí)，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的魯棒控制或自適應(yīng)控制算法，以保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定。

3．2．7 無(wú)線能源傳輸技術(shù)

能源傳輸技術(shù)是“鳳凰”計(jì)劃中一項(xiàng)很重要的基礎(chǔ)技術(shù)。目前，無(wú)線能源傳輸技術(shù)主要有以下幾種方式：低頻電磁耦合能源傳輸技術(shù)，高頻微波能源傳輸技術(shù)，激光能源傳輸技術(shù)?！傍P凰”計(jì)劃中，服務(wù)航天器將通過(guò)激光能量傳輸技術(shù)為模塊衛(wèi)星提供能源服務(wù)，如圖14所示。激光無(wú)線能量傳輸技術(shù)包括高效、高光束質(zhì)量的激光發(fā)射器技術(shù)、高效激光-電能轉(zhuǎn)換器件技術(shù)、激光能量傳輸及控制模塊的研究。利用激光進(jìn)行能量傳輸，因?yàn)槠渚哂心芰考?，能流密度高的特點(diǎn)，因此激光能量的接收端設(shè)備可以盡量減小體積和重量?？臻g無(wú)線能源傳輸技術(shù)距離真正的空間應(yīng)用還有很大的距離，通過(guò)激光進(jìn)行無(wú)線能量傳輸，雖然能量的發(fā)射端及接收端設(shè)備重量和體積很小，但是激光的能量傳遞效率大多不超過(guò)20%，在空間應(yīng)用中將造成巨大的能源浪費(fèi)。目前，“鳳凰”計(jì)劃研制團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室中采用高密度激光束獲得了20 W／cm2的能量輸出密度。

圖14 能量傳輸系統(tǒng)Fig．14 Beaming system

3．2．8 重構(gòu)后新衛(wèi)星的姿態(tài)確定與控制技術(shù)

模塊衛(wèi)星安裝在通信衛(wèi)星天線背部，重構(gòu)為一個(gè)新的系統(tǒng)，如圖15所示。模塊衛(wèi)星在天線背部的位置不是預(yù)設(shè)的，須要自主確定衛(wèi)星安裝位置，在增加更多模塊衛(wèi)星后，其質(zhì)量也增加了，新系統(tǒng)的動(dòng)量將發(fā)生變化。因此，如何更好地利用機(jī)動(dòng)來(lái)控制飛行器是重構(gòu)后新衛(wèi)星的姿態(tài)確定與控制技術(shù)的關(guān)鍵?！傍P凰”計(jì)劃將通過(guò)研究利用太陽(yáng)光壓來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)重構(gòu)后組合體的分布協(xié)調(diào)控制。

圖15 重構(gòu)后的通信衛(wèi)星Fig．15 Reconstituted satellite

3．2．9 多任務(wù)地面仿真、測(cè)試與演示驗(yàn)證技術(shù)

通過(guò)大量的地面仿真、測(cè)試和演示驗(yàn)證，能夠?qū)Α兵P凰”計(jì)劃所涉及的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行及時(shí)的測(cè)試和可行性驗(yàn)證，從而降低技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)和成本。研究和分析在軌捕獲過(guò)程的動(dòng)力學(xué)特性也尤為關(guān)鍵，捕獲過(guò)程的動(dòng)力學(xué)模型建模須同時(shí)考慮相對(duì)軌道運(yùn)動(dòng)、相對(duì)姿態(tài)運(yùn)動(dòng)和捕獲機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，還應(yīng)考慮捕獲時(shí)可能發(fā)生的剛性碰撞動(dòng)力學(xué)過(guò)程。精確的動(dòng)力學(xué)模型可以用來(lái)驗(yàn)證相對(duì)軌道與姿態(tài)運(yùn)動(dòng)控制算法、捕獲對(duì)接規(guī)劃策略以及交會(huì)避撞策略等。驗(yàn)證捕獲對(duì)接動(dòng)力學(xué)模型正確性和運(yùn)動(dòng)控制算法可以開(kāi)展地面半物理試驗(yàn)，采用氣浮平臺(tái)創(chuàng)建一個(gè)無(wú)摩擦的平面仿真環(huán)境，如圖16所示。

圖16 多設(shè)備信息交互地面驗(yàn)證試驗(yàn)Fig．16 Multi-facility interaction for Phoenix scenario testing

目前，DARPA 已經(jīng)開(kāi)展多個(gè)原理樣機(jī)的研制及其關(guān)鍵技術(shù)的地面驗(yàn)證試驗(yàn)，如FREND 捕獲PODS的氣浮臺(tái)試驗(yàn)、“壁虎-粘附器”粘附試驗(yàn)、地面遙操作試驗(yàn)、天線切割試驗(yàn)等，如圖17所示［10-11］。

圖17 原理樣機(jī)及其關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證試驗(yàn)Fig．17 Prototype and key technologies testing

4 啟示

綜上所述，本文通過(guò)對(duì)“鳳凰”計(jì)劃的介紹和關(guān)鍵技術(shù)的分析，可以得到以下幾點(diǎn)啟示。

1）衛(wèi)星重用將帶來(lái)航天器發(fā)展的重大變革

根據(jù)MDA公司估算，2002—2011年的10年間，全球共有50顆GEO 通信衛(wèi)星因燃料提前耗盡而失效，15顆因其他原因不能正常工作。替換這些衛(wèi)星的成本為120億～160億美元。2012—2020年可能有106 顆GEO 通信衛(wèi)星因燃料提前耗盡失效，30顆因其他原因不能正常工作，替換衛(wèi)星的成本更是高達(dá)300億～360億美元［12］。如果能夠通過(guò)在軌重用衛(wèi)星的大型天線等零部件，并集成新衛(wèi)星，可以大大降低航天器全生命周期費(fèi)用，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。目前，我國(guó)在自主在軌服務(wù)技術(shù)方面的研究還是以低軌航天器為主，針對(duì)高軌衛(wèi)星的研究較少。在在軌服務(wù)的任務(wù)需求牽引下，我國(guó)進(jìn)行在軌服務(wù)對(duì)象可更多地瞄準(zhǔn)高軌道的一些高價(jià)值目標(biāo)，將多臂機(jī)器人、精細(xì)遙操作等面向復(fù)雜空間操作的技術(shù)更多地應(yīng)用于非合作目標(biāo)航天器在軌重用任務(wù)中。

2）采取漸進(jìn)式思路發(fā)展衛(wèi)星自主在軌服務(wù)

美國(guó)首先是在近地軌道上開(kāi)展對(duì)合作目標(biāo)的演示驗(yàn)證，如“軌道快車”項(xiàng)目；然后逐步向高軌道、非合作目標(biāo)推進(jìn)，提出了擬在地球靜止軌道上進(jìn)行的FREND 項(xiàng)目；隨后再開(kāi)展技術(shù)難度更大的在軌重用技術(shù)——“鳳凰”計(jì)劃的研究工作。這種符合技術(shù)進(jìn)步先易后難、循序漸進(jìn)的發(fā)展思路值得借鑒和遵循。我國(guó)在發(fā)展在軌服務(wù)技術(shù)時(shí)，應(yīng)該考慮技術(shù)難度，合理制定關(guān)鍵技術(shù)研究的優(yōu)先順序和發(fā)展路線。

3）注重創(chuàng)新技術(shù)開(kāi)發(fā)

“鳳凰”計(jì)劃將依靠某些地面技術(shù)作為起點(diǎn)，進(jìn)行空間適應(yīng)性的二次創(chuàng)新開(kāi)發(fā)。例如，醫(yī)生為病人遠(yuǎn)程實(shí)施手術(shù)的機(jī)器人遙操作系統(tǒng)，石油鉆井工人探測(cè)海底時(shí)使用的先進(jìn)遙感成像系統(tǒng)，以及仿生壁虎機(jī)器人粘附腳掌的仿生制造技術(shù)。同時(shí)還要研發(fā)先進(jìn)的動(dòng)力、推進(jìn)和通信技術(shù)，以降低模塊衛(wèi)星的尺寸和質(zhì)量。

4）利用“共享搭載”降低成本

“鳳凰”計(jì)劃中的“共享搭載”是一個(gè)開(kāi)拓性的發(fā)射途徑，通過(guò)在衛(wèi)星上預(yù)留發(fā)射槽或標(biāo)準(zhǔn)接口，將PODS直接納入到當(dāng)前正在計(jì)劃和處于方案研制階段的GEO 商用通信衛(wèi)星的設(shè)計(jì)中，這樣有效載荷能整合到“任何”可利用的衛(wèi)星上。搭載有效載荷與主有效載荷共用一個(gè)衛(wèi)星平臺(tái)、發(fā)射設(shè)施，使其運(yùn)營(yíng)成本大大減少，這也是我國(guó)在發(fā)展自主在軌服務(wù)技術(shù)時(shí)值得借鑒的一個(gè)思路。

5）遵循“先期概念研究—地面仿真、測(cè)試和演示驗(yàn)證—飛行試驗(yàn)”的研制路線

“鳳凰”計(jì)劃針對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)發(fā)了多個(gè)地面演示驗(yàn)證系統(tǒng)，專門(mén)設(shè)計(jì)了相關(guān)的測(cè)試設(shè)備和測(cè)試方法。我國(guó)在進(jìn)行自主在軌服務(wù)技術(shù)的研究和設(shè)備的研制時(shí)，也應(yīng)通過(guò)合理制定地面的演示試驗(yàn)方案，有效地提高研究效率，穩(wěn)步推進(jìn)在軌服務(wù)技術(shù)的發(fā)展。

5 結(jié)束語(yǔ)

DARPA 作為不斷創(chuàng)新和探索的機(jī)構(gòu)，雖然提出了“鳳凰”計(jì)劃的發(fā)展構(gòu)想，但是該項(xiàng)目還須要突破多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，在一定程度上，還存在一定的不確定性。

“鳳凰”計(jì)劃通過(guò)重新利用在軌退役衛(wèi)星，創(chuàng)建低成本的“衛(wèi)星通信”，將“太空垃圾”改造成為太空資源，能夠削減成本、降低風(fēng)險(xiǎn)。“鳳凰”計(jì)劃將對(duì)未來(lái)的在軌服務(wù)領(lǐng)域起到重大的推動(dòng)作用。一旦該新型空間系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)成熟并投入應(yīng)用，將給空間系統(tǒng)現(xiàn)有的運(yùn)行和應(yīng)用方式帶來(lái)巨大沖擊，也將引發(fā)空間技術(shù)的革命性變革。本文對(duì)“鳳凰”計(jì)劃作了具體介紹和分析，其設(shè)計(jì)技術(shù)和在軌運(yùn)行控制技術(shù)對(duì)我國(guó)開(kāi)展相關(guān)的研究、設(shè)計(jì)具有借鑒意義。

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