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(bào)廢衛(wèi)星。如果不能對這些報(bào)廢衛(wèi)星加以拆除利用，不僅會浪費(fèi)眾多太空資源，還會對在軌航天器的安全造成嚴(yán)重威脅。為此，科學(xué)家提出了衛(wèi)星“即插即用”的新思路，在太空中對航天器進(jìn)行“搭積木”組裝再利用。
事實(shí)上，早在20世紀(jì)70年代，美國就提出“模塊化航天器”設(shè)計(jì)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(shí)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(kuò)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(jì)劃局支持研制的“細(xì)胞星集成技術(shù)實(shí)驗(yàn)”衛(wèi)星進(jìn)入太陽同步軌道，以進(jìn)一步在軌驗(yàn)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(jì)、制造和部署周期長、成本高等問題，遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(shí)，現(xiàn)有航天器還存在功能單一、通用性不強(qiáng)、重構(gòu)和升級復(fù)雜等問題。一項(xiàng)分析表明，目前航天器多是“獨(dú)一無二”專門設(shè)計(jì)而成的，僅衛(wèi)星研制成本中就有85%是重復(fù)性設(shè)計(jì)造成的。
如果航天器組件能像計(jì)算機(jī)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(jì)、制造、測試和運(yùn)行成本。更何況，束縛人類太空探索步伐的還有一項(xiàng)技術(shù)瓶頸，就是運(yùn)載火箭發(fā)射能力的制約。如果能在外太空實(shí)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(shí)施“太空抓捕”的高靈敏度太空機(jī)械臂，進(jìn)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(jì)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(jì)劃局于2011年進(jìn)一步啟動了“鳳凰計(jì)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(shí)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(diǎn)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(dǎo)航定位等各種功能模塊。按照模塊化劃分標(biāo)準(zhǔn)，可以把衛(wèi)星整體劃分成多個(gè)功能模塊，每個(gè)功能模塊都是獨(dú)立整體，能獨(dú)立完成一項(xiàng)或多項(xiàng)任務(wù)。由于各個(gè)功能模塊采用了標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的接口，不同生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的功能模塊在機(jī)械、電信和數(shù)據(jù)接口上可以相互兼容，能較為方便地實(shí)施組裝，勢必催生航天器發(fā)展升級的新形態(tài)。
在“細(xì)胞星集成技術(shù)實(shí)驗(yàn)”衛(wèi)星發(fā)射升空之前，國際空間站就先后進(jìn)行了多次模塊化構(gòu)建航天器的初步試驗(yàn)。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(xì)胞星”模塊化構(gòu)建而成的。此次升空的“細(xì)胞星集成技術(shù)實(shí)驗(yàn)”衛(wèi)星平臺包含了14顆“超級集成細(xì)胞星”，每個(gè)小的“細(xì)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(xì)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(yùn)行數(shù)量也可通過軟件實(shí)時(shí)改變，就跟搭積木一樣簡單。即便是“超級集成細(xì)胞星”中某一個(gè)出現(xiàn)了故障，其他“細(xì)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(xì)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(xì)胞構(gòu)成的有機(jī)生命體一般，實(shí)現(xiàn)自我重組和替換修復(fù)。“細(xì)胞星”只是“鳳凰計(jì)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(fù)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(jìn)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(shí)補(bǔ)充和維護(hù)失效軍用衛(wèi)星，美國還提出“作戰(zhàn)響應(yīng)空間計(jì)劃”。通過部署快速響應(yīng)、低成本、面向戰(zhàn)術(shù)特點(diǎn)的小衛(wèi)星，作為大型空間系統(tǒng)的有效補(bǔ)充和增強(qiáng)。2006年，美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室開展了“即插即用衛(wèi)星”演示驗(yàn)證項(xiàng)目，通過采用開放式標(biāo)準(zhǔn)和接口，使用自識別組件，實(shí)現(xiàn)模塊化衛(wèi)星的系統(tǒng)自動配置功能，進(jìn)一步壓縮了衛(wèi)星系統(tǒng)的部署時(shí)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(xiàng)研究項(xiàng)目，主要思路是將傳統(tǒng)衛(wèi)星平臺分解成數(shù)個(gè)在軌服務(wù)智能建造塊，通過在軌裝配和維護(hù)，延長航天器使用壽命，同時(shí)減少太空垃圾的產(chǎn)生。事實(shí)上，模塊化構(gòu)建技術(shù)的出現(xiàn)，在太空環(huán)境保護(hù)上確實(shí)是一項(xiàng)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(yuǎn)影響。利用模塊搭建平臺，能靈活、快速實(shí)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(jìn)一步縮短部署周期。通過分批發(fā)射的不同模塊實(shí)現(xiàn)在軌裝配，還將擺脫現(xiàn)有運(yùn)載能力束縛，進(jìn)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(qiáng)空間系統(tǒng)的抗毀性和可靠性，使之更易于維護(hù)升級。
事實(shí)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(jì)劃”，美軍試圖建立反衛(wèi)星作戰(zhàn)的新模式。當(dāng)需要攻擊敵方衛(wèi)星時(shí)，可直接利用“鳳凰計(jì)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(shí)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(shí)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(fù)能力將得到大幅提升。
制 圖：李 濤