張雅聲， 程文華(. 裝備學(xué)院 航天裝備系， 北京 046; . 裝備學(xué)院 研究生管理大隊， 北京 046)

“女媧”計劃：面向地球靜止軌道的在軌服務(wù)系統(tǒng)

張雅聲1， 程文華2
(1. 裝備學(xué)院 航天裝備系， 北京 101416; 2. 裝備學(xué)院 研究生管理大隊， 北京 101416)

地球靜止軌道(GEO)因其良好的軌道特性，在人類航天活動中扮演著重要的角色。隨著GEO資源的日益緊張，GEO碎片的清理工作刻不容緩。針對GEO帶的空間碎片清理，提出了名為“女媧”的GEO在軌服務(wù)計劃，利用在軌回收、3D打印、在軌組裝等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)基于空間碎片的在軌制造能力，并從任務(wù)需求、任務(wù)使命、任務(wù)流程、系統(tǒng)組成以及衛(wèi)星系統(tǒng)概念設(shè)計等方面，對“女媧”計劃進(jìn)行了系統(tǒng)分析。

3D打印；在軌制造；在軌組裝；在軌服務(wù)；模塊化設(shè)計；空間碎片

隨著人類太空活動的日益頻繁和航天科技的迅猛發(fā)展，太空目標(biāo)數(shù)量迅速增多。而以地球靜止軌道(The Geostationary Orbit,GEO)為代表的高軌，因其良好的對地靜止特性，成了世界各國爭相搶奪的軌道資源[1]。由于GEO衛(wèi)星相對于地面的某一點是靜止不動的，地面站很容易便可實現(xiàn)對其追蹤，這就為很多衛(wèi)星應(yīng)用提供了便利，GEO也在通信、導(dǎo)航、預(yù)警、氣象等民用和軍用領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。因此，GEO衛(wèi)星的損壞和失效將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和極大的社會影響。

本文提出名為“女媧”的GEO在軌服務(wù)計劃。女媧氏是中華民族的人文始祖之一，其摶土造人，煉石補天的故事激勵著一代代的中華兒女。本文設(shè)計的GEO在軌服務(wù)計劃，取名“女媧”，突出創(chuàng)造、變廢為寶的思想，并且在軌維修和在軌制造對應(yīng)于“補”，GEO資源也對應(yīng)于“天”，相得益彰?！芭畫z”計劃旨在建立一個天基微小衛(wèi)星制造系統(tǒng)，該系統(tǒng)以GEO帶上的空間碎片為主要目標(biāo)，利用在軌回收、3D打印、在軌組裝等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)空間碎片批量處理和基于空間碎片的在軌制造能力，對于提高我國高軌在軌服務(wù)能力具有重要意義。

1 “女媧”計劃需求分析

“女媧”計劃是以GEO帶上的空間碎片為主要目標(biāo)，通過將碎片分解成3D打印材料，利用3D打印技術(shù)，實現(xiàn)在軌制造的能力。而針對GEO目標(biāo)的在軌服務(wù)主要包括兩大類：GEO環(huán)境的在軌保護(hù)和GEO衛(wèi)星資源的在軌服務(wù)。下面從這兩方面進(jìn)行“女媧”計劃的需求分析。

1.1 GEO環(huán)境在軌保護(hù)的需求

通常認(rèn)為理想的GEO是軌道傾角為0°、軌道半徑為42 164 km的圓軌道，軌道周期與地球自轉(zhuǎn)周期相同；嚴(yán)格意義上，太空只有一條GEO[2]。由于運行在GEO上的衛(wèi)星相對地面上任何一點都是靜止不動的，這就給對地觀測、地面測控等帶來了諸多便利。因此，GEO是非常寶貴的太空資源。然而，通常情況下單顆GEO衛(wèi)星占有的赤道經(jīng)度范圍為±0.1°，也就是說，GEO理論上最多能容納1 800顆衛(wèi)星[3]。自1963年首顆GEO衛(wèi)星Syncom 2發(fā)射以來，總共有1 400多個GEO物體可獲得其軌道參數(shù)，其余還有很多已知或未知的空間碎片無法獲得軌道參數(shù)。由于GEO不存在大氣阻力，這1 400多個物體(未來這一數(shù)字還會增加)都長期滯留在GEO軌道附近，這樣就導(dǎo)致GEO環(huán)境越來越“擁擠”。對于無法進(jìn)行經(jīng)度保持控制的空間碎片，由于地球非球形攝動的作用，將向最近的天秤動軌道平衡點(75.1°E，105.3°W)發(fā)生經(jīng)度漂移[4]；隨后，會在此平衡點附近作往復(fù)振蕩運動(如圖1所示)，這樣就會導(dǎo)致這一區(qū)域比其他區(qū)域更加擁擠。

對于GEO來說，空間碎片主要是GEO范圍內(nèi)或者GEO附近的衛(wèi)星碎片、火箭上面級和不可控的廢棄衛(wèi)星。GEO上的空間碎片、正常運行的衛(wèi)星及軌道環(huán)境之間存在相互影響的關(guān)系，如果不采取人為措施，一旦發(fā)生碰撞，這種關(guān)系將在GEO自然特性的作用下，形成一種與“凱斯勒癥候群”(Kessler Syndrome)類似的惡性循環(huán)[5-6]，造成不可挽回的損失，圖2給出了GEO衛(wèi)星相撞2 d后的碎片擴(kuò)散情況。

a) 地球非球形攝動引起的經(jīng)度漂移變化

b) 地球靜止軌道物體分布圖1 地球非球形攝動引起的經(jīng)度漂移變化及相應(yīng)的物體分布(2015-04)

圖2 GEO衛(wèi)星相撞2 d之后碎片擴(kuò)散情況仿真[7]

1.2 GEO衛(wèi)星資源在軌服務(wù)的需求

以2016年1月版的憂思科學(xué)聯(lián)盟衛(wèi)星數(shù)據(jù)庫[8](Union of Concerned Scientists Satellite Database)為主要數(shù)據(jù)來源，對GEO衛(wèi)星資源進(jìn)行分類統(tǒng)計。截至2016年1月1日，共有1 381顆衛(wèi)星在軌運行，其中，低軌(Low Earth Orbit,LEO)衛(wèi)星759顆，GEO衛(wèi)星493顆，中軌(Medium Earth Orbit,MEO)衛(wèi)星92顆，橢圓軌道衛(wèi)星37顆。分別按照使用者和使用目的對493顆GEO衛(wèi)星進(jìn)行分類，其組成如圖3和圖4所示。

圖3 GEO衛(wèi)星按照使用者分類(截至2016-01-01)

圖4 GEO衛(wèi)星按照使用目的分類(截至2016-01-01)

另一方面，GEO衛(wèi)星在壽命終止前，可能由于GEO環(huán)境惡化、自身異常等原因而發(fā)生故障，而GEO的特殊性使得地面很難對這些故障進(jìn)行直接有效的處理。若重新發(fā)射一顆衛(wèi)星進(jìn)行替代，無論是從經(jīng)濟(jì)還是軌道資源的角度來講，都極其浪費。如果可以通過在軌服務(wù)來對現(xiàn)有衛(wèi)星進(jìn)行在軌維護(hù)、延壽，甚至是升級、組裝，這樣不僅可免去發(fā)射一顆衛(wèi)星所需的高昂費用，還可使得一些現(xiàn)有發(fā)射能力無法完成的GEO任務(wù)成為可能。由此，GEO衛(wèi)星在軌服務(wù)的現(xiàn)實需求包括：降低GEO衛(wèi)星失效的風(fēng)險；減少進(jìn)出、利用GEO的成本；提升GEO衛(wèi)星性能；改善GEO任務(wù)的靈活性；增加GEO任務(wù)的可拓展性。此外，GEO衛(wèi)星在軌服務(wù)也可以從根本上減緩GEO太空物體數(shù)量不斷增加的趨勢，這對于保護(hù)GEO環(huán)境也具有重要意義。

2 “女媧”計劃系統(tǒng)設(shè)計

2.1 “女媧”計劃任務(wù)使命

“女媧”計劃旨在建立一個天基微小衛(wèi)星制造系統(tǒng)，該系統(tǒng)以GEO帶上的空間碎片為主要目標(biāo)，利用在軌回收、3D打印、在軌組裝等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)基于空間碎片的在軌制造能力，具有前瞻性、先導(dǎo)性、探索性和顛覆性?！芭畫z”計劃至少應(yīng)該具備以下幾種任務(wù)使命：

1) 空間碎片重復(fù)利用。應(yīng)能在識別空間碎片材料的基礎(chǔ)上，針對可重復(fù)利用的材料，通過材料分解技術(shù)實現(xiàn)對空間碎片的重復(fù)利用。

2) 空間碎片批量移除。應(yīng)能對不能重復(fù)利用的空間碎片進(jìn)行批量壓縮打包處理，將碎片壓縮包運送回地面，或者拖到更高軌道上。

3) 衛(wèi)星部件在軌制造。應(yīng)能夠利用分解碎片后的材料，通過3D打印技術(shù)，實現(xiàn)衛(wèi)星部件的在軌制造，為微小衛(wèi)星在軌組裝和故障衛(wèi)星修復(fù)提供支持。

4) 微小衛(wèi)星在軌組裝。應(yīng)能利用在軌制造的衛(wèi)星部件以及攜帶的有效載荷，結(jié)合具體任務(wù)，在軌組裝成微小衛(wèi)星。

2.2 “女媧”計劃任務(wù)流程

女媧計劃任務(wù)流程示意圖，如圖5所示。

圖5 “女媧”計劃任務(wù)流程示意圖

1) “女媧”星發(fā)射入軌并進(jìn)行軌道機(jī)動，進(jìn)入墳?zāi)管壍馈！芭畫z”星在墳?zāi)管壍肋\行時，對墳?zāi)管壍揽臻g碎片進(jìn)行材料識別，根據(jù)空間碎片所具有的材料對其進(jìn)行分類編號。

2) “女媧”星接收到地面指控中心發(fā)來的打印指令后，根據(jù)3D打印模型所需要的材料，按編號尋找出滿足材料要求的空間碎片，并機(jī)動到選定碎片周圍。

3) “女媧”星接近空間碎片，并釋放子衛(wèi)星對空間碎片進(jìn)行最終逼近。

4) 子衛(wèi)星利用機(jī)械臂對空間碎片進(jìn)行捕抓回收(或者切割其有效載荷)，并返回中心衛(wèi)星平臺。

5) “女媧”星對回收的空間碎片進(jìn)行拆分并制成3D打印墨盒，通過在軌打印，制造出模塊化微小衛(wèi)星部件，并進(jìn)行必要的在軌組裝。

6) “女媧”星釋放攜帶新型微小衛(wèi)星或者衛(wèi)星部件的子衛(wèi)星，子衛(wèi)星機(jī)動到目標(biāo)點，釋放小衛(wèi)星，并返回中心平臺；或者與故障衛(wèi)星交會，利用機(jī)械臂捕抓故障衛(wèi)星并利用打印的衛(wèi)星部件對其進(jìn)行維修。

2.3 “女媧”計劃系統(tǒng)組成和功能

“女媧”計劃系統(tǒng)由一個中心平臺和若干子衛(wèi)星構(gòu)成。其中，中心平臺主要負(fù)責(zé)材料分解、3D打印、在軌組裝等，子衛(wèi)星負(fù)責(zé)收集碎片、運輸衛(wèi)星組件、在軌拆卸以及在軌維修等。在進(jìn)行分析時，將系統(tǒng)功能分為基本功能和任務(wù)功能兩部分。相應(yīng)地，也可以將系統(tǒng)分為兩層——基本屬性層和任務(wù)屬性層。

2.3.1 中心平臺

從任務(wù)流程來看，中心平臺涉及功能包括：接收碎片、分解碎片、存儲原材料、3D打印、在軌組裝、釋放小衛(wèi)星、子衛(wèi)星停泊、軌道機(jī)動等，其衛(wèi)星功能分層如表1所示。

表1 “女媧”星中心平臺兩層衛(wèi)星功能分層

2.3.2 子衛(wèi)星

從任務(wù)流程來看，“女媧”星子衛(wèi)星的功能包括：捕抓碎片、運輸衛(wèi)星組件、在軌拆卸、在軌維修以及軌道機(jī)動等。同樣進(jìn)行功能分層，如表2所示。

表2 “女媧”星子衛(wèi)星兩層衛(wèi)星功能分層

3 衛(wèi)星系統(tǒng)概念設(shè)計

3.1 中心平臺設(shè)計

3.1.1 設(shè)計思路

系統(tǒng)分成基本屬性層和任務(wù)屬性層兩部分?；緦傩詫拥脑O(shè)計可參照傳統(tǒng)衛(wèi)星平臺進(jìn)行設(shè)計，任務(wù)屬性層采用工業(yè)流水線方式進(jìn)行設(shè)計，將衛(wèi)星任務(wù)屬性層分成六大區(qū)域，分別為碎片收納區(qū)、碎片分解區(qū)、材料存儲區(qū)、3D打印區(qū)、在軌組裝區(qū)和臨時存儲區(qū)。其中，碎片收納區(qū)接收子衛(wèi)星捕抓的空間碎片并將碎片傳送到碎片分解區(qū)；碎片分解區(qū)將碎片分解成可以進(jìn)行打印的原材料，并存儲到材料存儲區(qū)當(dāng)中；材料存儲區(qū)專門存放3D打印材料；3D打印區(qū)從材料存儲區(qū)獲取材料進(jìn)行衛(wèi)星器件打?。淮蛴『玫男l(wèi)星器件通過傳送裝置傳送到在軌組裝區(qū)進(jìn)行在軌組裝；臨時存儲區(qū)主要用來存放組裝好的微小衛(wèi)星，等待子衛(wèi)星取走。

3.1.2 概念設(shè)計模型

對照上面的設(shè)計思路，任務(wù)屬性層的概念結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖6 “女媧”計劃中心平臺任務(wù)屬性層概念結(jié)構(gòu)圖

如圖，任務(wù)屬性層采用6個立方體艙室拼接成一個在軌制造流水線。在其上方再加上基本屬性層，就得到了“女媧”計劃中心平臺的概念設(shè)計，如圖7所示。

圖7 “女媧”計劃中心平臺概念設(shè)計

3.2 子衛(wèi)星設(shè)計

3.2.1 設(shè)計思路

由2.3.2節(jié)分析可知，子衛(wèi)星的任務(wù)屬性層涉及捕抓碎片、在軌拆卸、運輸衛(wèi)星組件、在軌維修等功能。因此，子衛(wèi)星任務(wù)屬性層應(yīng)該包括兩部分：(1) 空間碎片收納部分；(2) 在軌服務(wù)模塊。

3.2.2 概念設(shè)計模型

1) 在軌服務(wù)模塊概念設(shè)計。在軌服務(wù)模塊由于需要進(jìn)行在軌捕抓、拆卸、維修等，所以至少需要3個機(jī)械臂結(jié)構(gòu)及其他相關(guān)載荷器件，其概念結(jié)構(gòu)圖如圖8所示。當(dāng)子衛(wèi)星處于待工作狀態(tài)時，機(jī)械臂處于收攏狀態(tài)；而當(dāng)子衛(wèi)星進(jìn)行工作時，機(jī)械臂彈出，進(jìn)行相應(yīng)在軌操作。

b) 工作狀態(tài)圖8 “女媧”計劃子衛(wèi)星在軌服務(wù)模塊概念結(jié)構(gòu)圖

2) 衛(wèi)星組件/空間碎片收納室概念設(shè)計。衛(wèi)星組件/空間碎片收納室應(yīng)滿足與中心平臺的無縫傳接，收納室位于子衛(wèi)星中部，由一個驅(qū)動軸驅(qū)動。未工作時，收納室處于中部，未旋轉(zhuǎn)；當(dāng)子衛(wèi)星對碎片進(jìn)行捕抓收納時，驅(qū)動軸驅(qū)動收納室旋轉(zhuǎn)，機(jī)械臂將碎片放入收納室中，如圖9所示。

a) 未工作狀態(tài)

b) 工作狀態(tài)圖9 “女媧”計劃子衛(wèi)星收納室概念結(jié)構(gòu)圖

3) 子衛(wèi)星概念設(shè)計。加上基本屬性層設(shè)計，子衛(wèi)星概念設(shè)計圖如圖10所示。

圖10 “女媧”計劃子衛(wèi)星概念設(shè)計圖

3.3 新型微小衛(wèi)星設(shè)計

3.3.1 設(shè)計思路

微小衛(wèi)星應(yīng)該具有小型化、快速化、模塊化、適合3D打印、在軌組裝等特點。為避免各種電線數(shù)據(jù)線，本文設(shè)計的新型微小衛(wèi)星采用模塊化的立方體衛(wèi)星，對各個子系統(tǒng)實行模塊化封裝，模塊和模塊之間采用插拔式結(jié)構(gòu)，并利用我國古建筑的木構(gòu)榫卯[9]結(jié)合技術(shù)來提升組件的可打印性和可組裝性。

3.3.2 連接結(jié)構(gòu)設(shè)計

1) 插拔結(jié)構(gòu)設(shè)計。插拔結(jié)構(gòu)涉及模塊與模塊之間的能量傳輸、數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，是一個多通道連接問題，對此在進(jìn)行設(shè)計時，采用以下2種插拔結(jié)構(gòu)，如圖11所示。

a) 插拔結(jié)構(gòu)一

b) 插拔結(jié)構(gòu)二圖11 插拔結(jié)構(gòu)概念設(shè)計圖

2) 桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計。在進(jìn)行微小衛(wèi)星桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計時，借鑒我國優(yōu)秀傳統(tǒng)文化古建筑的木構(gòu)榫卯結(jié)合技術(shù)來替代螺絲螺母，增強結(jié)構(gòu)的可打印性和可組裝性。榫卯的功能就在于使得千百件獨立、松散的構(gòu)件緊密結(jié)合成一個符合設(shè)計要求和使用要求的，具有各種荷載能力的完整的結(jié)構(gòu)體。

3.3.3 概念設(shè)計模型

一個模塊化的衛(wèi)星設(shè)計通常包括：電源模塊、指令與數(shù)據(jù)處理模塊、姿態(tài)確定與控制模塊以及有效載荷。這其中，只有有效載荷是隨任務(wù)變化的，其他部分都是可以通用的。對新型微小衛(wèi)星進(jìn)行模塊化概念設(shè)計時，采用立方體衛(wèi)星分層思路，分層如圖12所示。

圖12 微小衛(wèi)星分層示意圖

圖12中，電源模塊和指令與數(shù)據(jù)處理模塊位于中間，有效載荷和姿控模塊由于其工作需要，位于微小衛(wèi)星外側(cè)。分層后，以此進(jìn)行微小衛(wèi)星概念設(shè)計，相應(yīng)概念設(shè)計爆炸圖如圖13所示。

圖13 微小衛(wèi)星概念設(shè)計爆炸圖

4 結(jié) 束 語

本文針對GEO提出了“女媧”計劃空間碎片的在軌服務(wù)系統(tǒng)，首先對“女媧”計劃進(jìn)行了需求分析，之后給出了“女媧”計劃的任務(wù)使命、任務(wù)流程，最后對“女媧”計劃的衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行了概念設(shè)計。與國內(nèi)外其他在軌服務(wù)系統(tǒng)相比，“女媧”計劃提出了一種新的GEO空間碎片處理方法；改變了傳統(tǒng)衛(wèi)星制造模式，降低成本，提高速度；并借鑒我國傳統(tǒng)優(yōu)秀文化古建筑的榫卯結(jié)合技術(shù)，給出了一種更具可打印性和可組裝性的微小衛(wèi)星概念設(shè)計。下一步的研究工作是對計劃中涉及的任務(wù)流程進(jìn)行詳細(xì)分析，尤其對其中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行梳理歸納，給出技術(shù)成熟度報告，為計劃的后續(xù)研究打好基礎(chǔ)。

References)

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[9] 馬炳堅.中國古建筑木作營造技術(shù) [M].2版.北京:科學(xué)出版社,2010.

(編輯：李江濤)

Nu Wa Project: On-orbit-service System for GEO

ZHANG Yasheng1， CHENG Wenhua2

(1. Department of space equipment, Equipment Academy, Beijing 101416, China； 2. Department of Graduate Management, Equipment Academy, Beijing 101416, China)

The geostationary orbit (GEO) plays an important role in human spaceflight for its perfect orbital characteristics. With the GEO resources becoming more and more limited, it is urgent to clean up GEO debris. In view of the space debris on the GEO, a GEO on-orbit service plan “Nu Wa” is proposed to realize the on-orbit manufacturing capability based on space debris with the on-orbit recovery, 3D printing, on-orbit assembly and other key technologies. Besides, the paper also makes a systematic analysis of the plan from the aspects like task demands, mission, task flow, system composition and conceptual design of satellite system.

3D printing; on-orbit-manufacture; on-orbit-assembly; on-orbit-service; modular design; space debris

2016-12-13

張雅聲(1974—)，女，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向為航天任務(wù)分析與設(shè)計。13521219203@139.com