晁魯靜，張耀磊，謝澤兵

基于多要素評估的快響應軌道救援方法研究

晁魯靜，張耀磊，謝澤兵

（中國運載火箭技術研究院研究發(fā)展中心，北京，100076）

近十年全球航天發(fā)射活動成功率一直保持在90%以上，但發(fā)射失敗仍難以避免，航天事故導致各國對空間資源的開發(fā)成本大幅增加，制約航天產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展。在航天發(fā)射事故中未進入預定軌道的發(fā)射事故占比接近50%，存在很大的救援空間，對典型航天事故影響進行分析，提出了衛(wèi)星救援多要素估值評價方法，從經(jīng)濟成本、時間成本、產(chǎn)業(yè)影響、社會影響等多要素對衛(wèi)星損失和救援代價進行綜合評估，提供救援任務全流程規(guī)范指導，可有效提升軌道救援系統(tǒng)的快速響應能力。

多要素評估；軌道救援；快響應；航天事故

0 引 言

經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展，人類對太空的探索已經(jīng)由認知太空轉入應用太空的新階段。伴隨著航天產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，發(fā)射事故時有發(fā)生，從公開資料統(tǒng)計的近年航天發(fā)射活動成功率見圖1。

圖1 近年航天發(fā)射活動成功率統(tǒng)計

由圖1可知，近10年全球航天發(fā)射活動成功率一直保持在90%以上。但發(fā)射失敗仍難以避免，航天事故導致各國對空間資源的開發(fā)成本大幅增加，制約航天產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展。

對發(fā)射事故進行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，在20世紀90年代至2016年間的92次發(fā)射事故中，衛(wèi)星未進入正確軌道等部分成功的發(fā)射活動為43次，占比約為47%，見圖2。造成發(fā)射部分成功的原因基本可分為運載火箭性能降低、上面級故障、分離故障和衛(wèi)星變軌發(fā)動機故障等。在此類發(fā)射事故中，大部分衛(wèi)星完好無損，或衛(wèi)星僅自身動力系統(tǒng)故障，其余系統(tǒng)仍可以正常工作，具有非常大的搶救價值。

圖2 發(fā)射事故統(tǒng)計（1993~2016年）

衛(wèi)星的制造和發(fā)射費用較高，地球靜止軌道（The Geostationary Orbit，GEO）衛(wèi)星的價格從1.5億美元（如Intelsat-603）到12億美元（如Milstar-2）不等，其中不包括衛(wèi)星服務產(chǎn)生的經(jīng)濟效益，衛(wèi)星故障帶來的損失非常巨大。針對高價值衛(wèi)星開展在軌救援具有可觀的經(jīng)濟效益，以輔助離軌為例，如果采用軌道救援技術輔助GEO衛(wèi)星離軌，使衛(wèi)星本用于主動離軌的燃料用于軌道維持，可使衛(wèi)星延長6個月左右的壽命，并帶來額外收益（見表1）[1]。

表1 GEO衛(wèi)星輔助離軌的預期收益情況

Tab.1 Expected Benefits from Assisted Deorbit of GEO Satellite

衛(wèi)星名稱時間/年額外6月收益億美元輔助離軌成本億美元純收益億美元 國際通信衛(wèi)星-7071996~20079.51224.40774.1533 國際通信衛(wèi)星-9012001~20110.52330.36270.1083 國際通信衛(wèi)星-9042002~20120.86640.51710.2627 國際通信衛(wèi)星-9072003~20130.77300.47510.2207 新天-7衛(wèi)星2002~20140.64480.41740.1630 泛美衛(wèi)星-1R2000~20150.54850.37400.1196

因此，快速發(fā)射軌道救援飛行器進入軌道為入軌失敗衛(wèi)星提供軌道轉移能力，輔助其進入預定軌道，可以減少衛(wèi)星發(fā)射失敗帶來的損失，降低運載發(fā)射風險，對于促進航天產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要的意義。

1 發(fā)射事故影響分析

航天技術是衡量一個國家科技水平和綜合國力的重要標志之一，航天事故除帶來直接的經(jīng)濟損失外，也對社會、政治及軍事等多方面產(chǎn)生較大影響，下面以幾個典型案例對發(fā)射事故影響進行分析。

案例1：2010年10月28日，阿里安-5運載火箭搭載歐洲通信衛(wèi)星-W3B衛(wèi)星發(fā)射升空，由于發(fā)生推進劑泄露，衛(wèi)星未進入靜止軌道。衛(wèi)星購買保險費用 3.25億美元，原計劃定位于16°E軌位，用于替代另外3顆衛(wèi)星，為歐洲中部地區(qū)和部分印度洋島嶼提供數(shù)字電視服務，同時為非洲地區(qū)的寬帶和電話服務提供更多便利。2013年5月14日，歐洲通信衛(wèi)星-W3D由質子號火箭發(fā)射入軌，用于接替W3B衛(wèi)星。發(fā)射失敗除帶來巨大直接經(jīng)濟損失外，也使歐洲通信衛(wèi)星公司的衛(wèi)星編隊調整計劃嚴重滯后[2]。

案例2：2011年8月18日，快訊-AM4通信衛(wèi)星由質子M運載火箭發(fā)射升空，由于微風M上面級故障導致衛(wèi)星未進入目標軌道。快訊-AM4衛(wèi)星價值3.04億美元，發(fā)射質量5775 kg，原計劃定位于80°E軌位，主要用于提供數(shù)字電視服務，可覆蓋俄羅斯全境及獨聯(lián)體國家，該計劃是政府今后6年電視服務發(fā)展規(guī)劃的重要組成部分。此次發(fā)射失敗除帶來經(jīng)濟損失、服務延后等影響外，廢棄衛(wèi)星也給GLONASS、GPS、Globalstar通信衛(wèi)星和銥星星座在軌運行帶來安全隱患[3]。

案例3：2014年8月22日，由聯(lián)盟號運載火箭發(fā)射的2顆伽利略衛(wèi)星未能成功進入目標軌道。伽利略系統(tǒng)是歐洲獨立發(fā)展的全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)，用于提供高精度、高可靠的定位服務，計劃由30顆衛(wèi)星組成。此次發(fā)射的衛(wèi)星每顆價值2800萬歐元，是伽利略系統(tǒng)首批全面運行能力衛(wèi)星。此前，由于發(fā)射場使用權和衛(wèi)星研制進度等問題，這兩顆衛(wèi)星的發(fā)射時間已經(jīng)被推遲了一年多，此次發(fā)射失敗嚴重影響了伽利略導航系統(tǒng)建設進度[4]。

案例4：2015年5月16日，國際發(fā)射服務公司的俄制質子M運載火箭在拜科努爾發(fā)射場發(fā)射墨西哥星1通信衛(wèi)星時，第3級火箭發(fā)生故障，星箭俱毀。墨西哥星1設計壽命15年，發(fā)射質量5325 kg，擬定位于113°W軌位，用于向墨西哥政府提供移動和固定通信服務，購買保險費用3.9億美元。本次發(fā)射失敗是質子號在2010年12月以來43次發(fā)射中的第8次事故，除影響后續(xù)發(fā)射保險費率以外，也使質子號在與獵鷹9和阿里安-5運載火箭的商業(yè)發(fā)射市場競爭中處于劣勢[5]。

綜合以上案例分析，衛(wèi)星發(fā)射失敗帶來的影響主要有：

a）運載火箭、衛(wèi)星、運營服務等直接經(jīng)濟損失；

b）衛(wèi)星服務滯后產(chǎn)生附帶經(jīng)濟損失；

c）衛(wèi)星發(fā)射成功率降低導致衛(wèi)星保險費率提高；

d）制造的軌道垃圾影響正常衛(wèi)星在軌安全運行；

e）商業(yè)航天失利降低投資者信心從而影響衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)發(fā)展；

f）軍用衛(wèi)星失敗威脅國家安全；

g）重大發(fā)射事故產(chǎn)生廣泛的社會和政治影響。

2 快響應軌道救援系統(tǒng)方案設想

快響應軌道救援系統(tǒng)由運載平臺、軌道機動級、救援飛行器和末端工具箱組成，如圖3所示。

圖3 軌道救援系統(tǒng)組成

運載平臺和軌道機動級根據(jù)被救援對象的質量規(guī)模及軌道要求從現(xiàn)役成熟運載器中進行選擇，通過現(xiàn)役運載火箭去任務化改造，統(tǒng)一構型，形成通用化、組合化、系列化的運載平臺方案庫，可擴大運載能力覆蓋范圍，滿足不同的任務需求。運載器和軌道機動級將救援飛行器直接送入目標交會軌道，救援飛行器通過自主機動變軌實現(xiàn)對不同相位衛(wèi)星的精確交會對接，通過不同的末端工具對衛(wèi)星實施軌道救援，使衛(wèi)星進入正確軌道或恢復功能。

按照傳統(tǒng)衛(wèi)星發(fā)射方式，運載火箭和救援飛行器需要定制，發(fā)射周期較長，使救援成本大幅升高。為提高救援系統(tǒng)的快速響應能力、降低救援系統(tǒng)研制成本、合理控制在軌救援風險，需要解決以下問題。

a）運載火箭去任務化，統(tǒng)一構型。

目前，中國長征系列運載火箭多采用定制化的研制生產(chǎn)管理模式，在研制之初運載火箭就與衛(wèi)星任務關聯(lián)綁定。傳統(tǒng)的定制化模式可以適應各發(fā)次任務之間的差異性，并以定制化的方式實現(xiàn)火箭性能的優(yōu)化，但是，從明確研制要求直至點火發(fā)射，運載火箭需要的研制周期約為20個月。面臨高密度發(fā)射任務，定制化模式的弊端逐漸顯現(xiàn)，主要表現(xiàn)在：整箭產(chǎn)品互換性差，面對計劃調整等突發(fā)情況的快速響應能力不足，存在制約任務實施進度的風險；另外，已完成生產(chǎn)的火箭無法用于其他任務，存在已制品不得已只能長期貯存的情況[6]。面向快速救援任務，定制化模式更是難以滿足多任務適配、快速響應及全年無間斷值班等要求。

影響去任務化的一個關鍵因素是運載火箭構型多樣，以長征三號甲系列運載火箭為例，參與發(fā)射的有 6個基本構型，分別是CZ-3A、CZ-3B標準型、CZ-3B/G1、CZ-3B/G2、CZ-3B/G3、CZ-3C標準型。由于火箭構型多且狀態(tài)不統(tǒng)一，造成在火箭設計、生產(chǎn)、試驗、發(fā)射等環(huán)節(jié)存在技術狀態(tài)多、產(chǎn)品通用性和互換性差等問題[7]。

火箭構型多直接影響產(chǎn)品物資采購、生產(chǎn)狀態(tài)及試驗狀態(tài)控制、產(chǎn)品測試發(fā)射等多個環(huán)節(jié)。運載火箭去任務化，精簡狀態(tài)，統(tǒng)一構型，有助于提高產(chǎn)品通用性及互換性，滿足軌道救援多任務適配和快速響應要求。

b）救援飛行器柔性設計。

衛(wèi)星研制成本高、周期長，除了航天產(chǎn)品固有的復雜性高、質量要求高等因素外，當前衛(wèi)星大多面向特定任務設計和生產(chǎn)也是一個重要原因。中國衛(wèi)星生產(chǎn)單位多采用共用平臺和有效載荷的組合方式進行衛(wèi)星設計，由于耦合度高，無法適應有任務的多樣性，并且以平臺為核心的設計模式、依靠實物試驗的研制方式及串行工作的管理模式，逐漸不能適應衛(wèi)星高性能、短周期、低成本的研制目標。

軌道救援飛行器的質量規(guī)模及功能指標與救援任務緊密相關，不同的救援任務對救援飛行器的在軌時間、軌道轉移能力、探測能力、空間操作能力等主要功能要求不盡相同，為提高多任務適應能力和快速響應能力，救援飛行器需要采用柔性設計理念，將救援飛行器劃分并設計出一系列功能模塊，通過模塊的選擇和組合構成不同的救援飛行器來滿足不同救援任務的需求。其軟件采用開放式架構，解除衛(wèi)星軟硬件之間的緊耦合關系，針對不同在軌任務統(tǒng)籌星上計算資源，并上傳不同的應用軟件；模塊化設計結合開放式自定義軟件架構可實現(xiàn)救援飛行器結構快速組裝、功能快速生成、整星快速測試，既能實現(xiàn)飛行器模塊的小批量生產(chǎn)，又能滿足飛行器功能定制和任務多樣性的要求。

統(tǒng)一構型的運載火箭和軌道機動級以及模塊化設計的救援飛行器和末端工具箱，形成救援方案庫，可支持軌道救援系統(tǒng)定期在發(fā)射場值班，根據(jù)不同的救援任務需求快速組合搭建，提高系統(tǒng)的快響應能力。

c）捕獲連接安全、可靠。

安全可靠是在軌救援開展的關鍵考核因素，救援飛行器對目標飛行器的捕獲連接是任務的高風險階段，因此在對目標衛(wèi)星的接近與捕獲階段需要重點關注安全問題。

為實現(xiàn)對目標的快速救援，救援飛行器可以采用直接入軌方案，直接進入目標10 km附近軌道，通過探測系統(tǒng)捕獲跟蹤目標。在此過程中，由于存在入軌偏差，存在救援飛行器與目標飛行器碰撞的風險，需要根據(jù)運載火箭控制精度及測控站定軌精度選擇合適的入軌點，同時救援飛行器在入軌分離前提前加電，也可以通過自身攜帶的傳感器提供碰撞預警，降低風險。

針對在軌救援的空間捕獲機構方案主要有3種：利用伸縮桿捕獲目標衛(wèi)星的發(fā)動機噴管；利用飛網(wǎng)或飛爪捕獲目標衛(wèi)星本體；利用機械臂（爪）捕獲目標衛(wèi)星的特定結構。其中利用飛網(wǎng)或飛爪捕獲目標存在破環(huán)衛(wèi)星本體的風險，因此僅適用于對失效衛(wèi)星的輔助離軌；伸縮桿捕獲機構針對衛(wèi)星變軌發(fā)動機而設計，通過伸縮桿插入變軌發(fā)動機的喉部并鎖定，實現(xiàn)對目標的捕獲連接；通過機械臂捕獲目標，被抓捕的部位選擇相對靈活，可以是噴管、分離環(huán)或衛(wèi)星表面其他部件。因此伸縮桿和機械臂（爪）都可以為在軌救援提供捕獲連接機構的選擇，每種類型的捕獲連接機構適用的目標對象及可以開展的空間任務不同，需要根據(jù)具體救援需求進行選擇，并根據(jù)目標的在軌狀態(tài)確定任務安全等級，采用軟件（碰撞預案）和硬件（多信息預警）等多種手段確保對目標的捕獲連接安全、可靠。

3 基于多要素評估的快響應軌道救援流程

依托快響應軌道救援系統(tǒng)，可以快速開展空間救援任務，具體實施步驟如下：

a）救援系統(tǒng)戰(zhàn)備值班。

進行去任務化改造后，運載火箭和軌道機動級的通用性和兼容性更強，針對軌道救援任務運載火箭和軌道機動級采用平時在發(fā)射場值班，值班周期結束后投入商業(yè)發(fā)射市場的策略，可以分攤任務成本；救援飛行器和末端工具箱采用標準化、模塊化設計后，可實現(xiàn)貨架產(chǎn)品小批量生產(chǎn)備貨，進一步縮短任務響應時間。

b）分析衛(wèi)星故障。

衛(wèi)星故障模式對救援系統(tǒng)捕獲方式、末端工具箱及軌道機動能力等方案的確定起著決定性的作用。不同故障模式對救援系統(tǒng)的需求包括功能輔助、軌道轉移、在軌模塊更換和在軌維修等，根據(jù)故障模式對救援需求的不同，進一步確定救援飛行器攜帶的功能載荷及在軌操作任務。綜合已有案例對在軌衛(wèi)星故障類型進行深入分析，對故障模式進行分類，在救援方案設計階段可以指導救援系統(tǒng)設計，擴大救援能力包絡。

在分析衛(wèi)星故障的基礎上，對不同任務救援時間約束、救援成本約束、救援目標特性（含當前軌道特性、目標外形與尺寸、目標故障原因及狀態(tài)）、任務目標等進行分析和確認，根據(jù)多種約束條件確定合理的救援模式。

c）評估故障損失值。

從經(jīng)濟損失、產(chǎn)業(yè)影響、社會影響等多要素評估衛(wèi)星故障損失，確定衛(wèi)星故障的損失值；

衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)鏈包括衛(wèi)星制造、發(fā)射、地面設備、保險、服務等，衛(wèi)星能否正常交付并在軌運行除了帶來直接的經(jīng)濟損失，也會對上下游產(chǎn)業(yè)鏈及社會、政治及軍事等多方面產(chǎn)生較大影響，對衛(wèi)星故障導致的經(jīng)濟損失、產(chǎn)業(yè)影響、社會影響等多要素進行綜合評估，計算得出衛(wèi)星故障的損失值，具體估值方法如下：

=（1+2+3）·（1+） （1）

式中1為直接經(jīng)濟損失，1=（衛(wèi)星研制成本+發(fā)射費用+保險費用）×－保險賠付金額，其中，為損失比例系數(shù)，衛(wèi)星全損不能提供服務時，=1，衛(wèi)星提供部分服務或壽命縮短時0<<1；2為再發(fā)射費用，2=新研衛(wèi)星研制成本/備份衛(wèi)星成本+發(fā)射費用+保險費用；3為間接經(jīng)濟損失，3=衛(wèi)星成本×發(fā)射失敗導致的保險費率增高值+1時間內衛(wèi)星服務產(chǎn)值，其中，1為從本次發(fā)射失敗至重新發(fā)射一顆衛(wèi)星所需的時間；為附帶影響權重，=空間碎片帶來的軌道安全影響因子1+航天技術發(fā)展滯后影響因子2+產(chǎn)業(yè)影響因子3+社會影響因子4，其中：0≤k≤1，=1，2，3，4。

d）提出救援方案。

根據(jù)被救援衛(wèi)星的質量規(guī)模、軌道位置及轉移需求，明確救援任務的運載能力需求，確定運載火箭和軌道機動級的選型；根據(jù)被救援衛(wèi)星的目標特性、結構特征、維修需求等確認救援飛行器目標探測與識別能力、抓捕對接能力以及末端工具箱攜帶工具的類型，最終提出軌道救援方案。

e）評估救援代價值。

針對救援方案，從經(jīng)濟成本、時間成本、產(chǎn)業(yè)影響、社會影響等多要素進行綜合評估，確定救援代價值。

救援代價除救援系統(tǒng)的直接經(jīng)濟成本外，還涉及任務響應時間成本、對技術進步的推動作用、附帶的社會影響，具體任務還要考慮衛(wèi)星屬性帶來的政治和軍事影響等，對各影響要素進行評估，計算得出救援代價值，具體估值方法如下：

式中1為直接成本，1=救援系統(tǒng)研制成本+發(fā)射費用；2為2時間內衛(wèi)星服務產(chǎn)值，2為從本次發(fā)射失敗至完成在軌救援所需的時間；為附帶影響權重，=軌道安全影響因子1+航天技術進步影響因子2+產(chǎn)業(yè)影響因子3+社會影響因子4，其中，0≤j≤1，=1，2，3，4。

f）評估性價比。

比較和，若不小于，則實施救援；若小于，則終止救援。

g）實施救援方案。

對救援任務從發(fā)射、軌道轉移、在軌操作等全流程進行地面仿真，綜合分析運載能力、測控資源、發(fā)射場任務情況等，確定發(fā)射場位置、發(fā)射窗口及任務所需的測控站。

分別開展運載火箭、軌道機動級、救援飛行器測試及部分工裝的加工和生產(chǎn)，同步開展發(fā)射場及測控資源協(xié)調，測試完成后開展救援系統(tǒng)總裝、總測，地面測控進行被救援衛(wèi)星軌道跟蹤、預報，射前準備完成后，執(zhí)行發(fā)射任務。

h）評估救援效果。

根據(jù)具體救援任務執(zhí)行情況確認軌道救援系統(tǒng)的直接經(jīng)濟成本，根據(jù)地面測控數(shù)據(jù)及衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)確認救援任務實施效果。分別以季度、年度為節(jié)點跟蹤衛(wèi)星工作情況、救援任務帶來的經(jīng)濟效益、社會效益及政治和軍事影響等，分階段評估救援任務實施效果。

本方法針對一般航天任務進行分析，當發(fā)射任務具有重要的軍事或政治價值時，可跳過性價比評估過程，直接開展救援任務。

4 結束語

經(jīng)統(tǒng)計分析，未進入預定軌道的發(fā)射事故在航天發(fā)射事故中占比接近50%，存在很大的救援空間，本文對典型航天事故影響進行分析，提出了衛(wèi)星救援多要素估值評價方法，從經(jīng)濟成本、時間成本、產(chǎn)業(yè)影響、社會影響等多要素對衛(wèi)星損失和救援代價進行綜合評估，對救援任務實施的效費比給出了定量的評價，提供救援任務全流程規(guī)范指導，可有效提升軌道救援系統(tǒng)的快速響應能力。

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The Research on Fast Response to Orbit Rescue Method Based onMulti-Factor Evaluation

Chao Lu-jing, Zhang Yao-lei, Xie Ze-bing

(Research and Development Center, China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing, 100076）

In the past ten years, the success rate of global space launch activities has been maintained at over 90%, but launch failures are still difficult to avoid. As a result of space accidents, the development costs of space resources in various countries have increased significantly, constraining the sustainable development of the aerospace industry. In the aerospace launch accident, the proportion of launch accidents that do not enter the predetermined orbit is close to 50%. There is big market for rescue. The impact of typical space accidents is analyzed and a multi-element evaluation method is proposed for orbit rescue. Comprehensive assessment of the satellite loss and rescue costs from multiple factors such as economic cost, time cost, industry and social impact, providing guidance on the overall process of orbit rescue missions, it can effectively improve the rapid response capability of the orbit rescue system.

multi-factor assessment; orbit rescue; fast response; space accident

V57

A

1004-7182(2020)02-0028-05

10.7654/j.issn.1004-7182.20200206

晁魯靜（1985-），男，高級工程師，主要研究方向為空間飛行器總體技術。

張耀磊（1981-），男，研究員，主要研究方向為空天安全總體技術。

謝澤兵（1968-），男，研究員，主要研究方向為空天安全總體技術。

2018-05-09；

2020-02-20