凤凰涅槃还是瞒天过海？

□ 迟 惑

迄今为止，人类发射到地球静止轨道上的通信卫星已经超过1300颗。当然，其中大多数已经报废了。报废的原因多种多样，譬如燃料耗尽，行波管放大器衰竭；有的卫星是被太阳风暴扫了一下，一命呜呼；也有的是因为发射前就存在缺陷，还没有达到设计寿命就失效了。

不过在所有这些“死”卫星身上，有一种零件是轻易不会损坏的，那就是天线。一般来说，通信卫星的天线，尤其是硬质的抛物面天线，其自身没有太多活动的机械部件或者电子零件，因此没有什么可坏的。天线寿命往往可以比整星长好几倍，它虽然看上去结构简单，但工艺却相当复杂。一般来说，天线占到卫星成本的很大一部分。人类目前已经发射的卫星总价值达到3000亿美元，那么就有值不少钱的天线在天上无所事事地漂浮着。需要指出的是，为了把这些卫星及其天线发射到静止轨道上去，还消耗了上千枚火箭和相应的燃料。如果能再发射一些没有天线的卫星上天，把废弃卫星的天线拆下来装到前者身上，不就可以组成新的工作卫星了吗，又省钱又环保，何乐而不为呢？

如果这样的两颗卫星都摆在地面的车间里，移植天线自然不难，但是要在35800千米外的太空里搞这么一出技术秀，可就要动些脑筋了。

艺术家笔下的“凤凰”计划卫星

“凤凰”计划

2012年2月，美国国防部高级研究计划局，也就是著名的DARPA，向航天界提出了研究一种在太空中进行废物利用的办法。具体的目标，就是开发空间机器人技术，从处于墓地轨道或者失效轨道上的废弃原GEO（地球同步轨道）通信卫星上取下天线，加以利用，从而为美军提供更经济适用的、持续的天基通信服务。之所以把GEO卫星作为再利用的对象，是因为它们的通信效果最好。美军对比了GEO、MEO、LEO星座、无人机和无人飞艇通信中继后，发现还是GEO通信卫星的性价比最好。尤其是GEO卫星可以提供不间断的通信保障，比无人机、无人飞艇这些留空时间有限的通信平台强得多。如果能重复利用这些在轨天线，不但能得到高增益、长期持续覆盖的天基通信能力，也可以挽救已经花在天线研制和发射中的“沉没成本”。

或许是因为这样的技术可以让天线起死回生，DARPA为之起名为“凤凰”，以求卫星能够浴火重生。

除了技术问题，“凤凰”计划还要开展法律问题的研究。例如当前的太空法律和国际协议，关于商业化太空救援的法律问题，等等。

“凤凰”计划的高潮将是2015~2016年实施的在轨演示验证。期间将至少发射一组机器人航天器，选定一颗位于GEO轨道或墓地轨道上的废弃静止卫星，用大约6个月的时间来实施拆除天线和再利用工作，所形成的新卫星至少要能运行48个月。

具体来说，“凤凰”计划的目标是开发以下三类技术：

演示验证一种新的卫星设计与制造方法，应用“细胞化”和“形态学重构”概念来创造一种新的卫星结构，称为“SATLET”。

在与目标通信卫星具有较大相对速度的情况下，从另一颗卫星上用一种称为“有效载荷在轨递送系统”（PODS）的装置，演示验证发射和释放在轨小质量系统。

演示验证一种能在轨重构合作退役卫星的机器人卫星，其次要功能是作为再利用体那先的通信中继工具。这种技术称为“服务器/看管器”。在概念上，“服务器”指装有机器人设备的GEO航天器，可以执行传统的卫星平台功能；“看管器”指另一种GEO卫星，可以在不接触目标的情况下实施射频中继、供电、轨道保持等操作。

微型机械手

“凤凰”计划中的机器人航天器

“凤凰”的飞行计划

要想达成“凤凰”计划的目标，必须在小倾角轨道上进行操作，同时必须尽量避免伤及GEO轨道上的现役卫星。因此在演示验证实施之前，会有一个政府科学小组精心选择目标卫星，分析卫星滚动的角速度，把重构之后的卫星从墓地轨道推回GEO轨道所需的最小速度增量，卫星天线尺寸，等等。

DARPA期望能在演示验证中完成以下一系列任务：

研制一套POD演示验证组建，并搭载于某颗GEO通信卫星发射。POD上要携带凤凰基本任务所需的硬件。之后才发射“服务器/看管器”。这个任务的目标是验证POD研发标准，并将其集成到现有商业卫星上建造独立的“服务器/看管器”，通过政府渠道发射到GEO轨道上临近POD搭载星的位置。两者接近到1千米左右时停止。这个任务的目标是验证服务器/看管器平台与系统，验证交会对接传感器套件及其软件是否能发现并机动接近通信卫星那样的大型目标，并验证其实施任务操作、与商业卫星伴飞的能力。

待“服务器/看管器”到位、进入视野后，POD搭载星实施“弹射”操作，把POD发射到宇宙空间里。“服务器/看管器”实施机动，接近正在自由飞行的POD，并用机械臂将其擒获，放置在自身的储物槽内。这个任务的目标是验证所谓“前端机器人使能近期演示验证”机械臂的操作能力，验证各种终端效应工具，验证“服务器/看管器”安全捕获和存放POD的能力；验证“人在回路中”的遥存在系统；在地面使用恰当的界面和多种星上敏感器，验证PRO套件有用于大型目标（例如GEO通信卫星）和小质量目标（例如POD）的强健性；验证有效载荷运行设施及其团队与任务运行设施及其团队之间的互操作性，以及与商业通信卫星运行中心的飞行协调。

“服务器/看管器”靠自己的推力器飞离PODS搭载星，然后机动到GEO墓地轨道，找到目标卫星（指已经废弃的通信卫星）并机动接近。需要指出的是，这个目标卫星必须是合作目标，也就是预先知道其特征和轨道参数的。“服务器/看管器”先抵达距目标卫星40千米处，然后逐步接近到100米。这个阶段任务的目标是验证“服务器/看管器”安全机动并与异轨卫星交会的能力，验证PRO敏感器套件和软件的能力，验证主任务运行设施和团队的能力。

“服务器/看管器”机动到距离目标卫星约1.5米处，用FREND机械臂及“凤凰”计划专门研制的工具捕捉之。之后，“服务器/看管器”将从自身储物槽中取出一个SATLET，装到目标卫星的星体上。这个任务的目标是验证FREND及其他机器人工具捕捉另一空间物体的能力，验证有效载荷及任务运行设施、团队之间能否安全地交互，验证“服务器/看管器”能否对一个新的、运动学静态的质量体实施有力控制，验证“服务器/看管器”与目标卫星组合体的动力学性能和“服务器/看管器”的控制能力，验证其是否有有能力将一个SATLET放置到目标卫星任一主要表面上。以及SATLET能否稳固地保持在这个表面上。此外，还需要验证以下过程的全部概念：打开PODS，把SATLET从PODS中推出，同步或协同使用多套机械臂和工具。

“服务器/看管器”使用FREND把SATLET安装到目标卫星天线的周围。这个步骤可能需要“服务器/看管器”反复锁紧或松开目标卫星上的不同位置，也就是“爬”到一个FREND能接触到天线的地方。SATLET启动，对天线进行测试，然后关闭。此时天线还连接在目标卫星上。测试通过后，“服务器/看管器”用工具切开天线的支撑架，再用其他工具把天线从目标卫星上拆下来。这个任务的目的是验证“服务器/看管器”的敏感器组件和主机械臂抓紧、释放、机动、再抓紧卫星的能力，验证使用多台机器人的能力和把SATLET安装到现有天线上所需的当地态势感知能力，验证SATLET在退役天线上的操作能力，在复杂操作过程中更换工具的能力，用一种工具把天线从退役卫星上拆除的能力，在一个航天器上同时使用多种工具时的多动态质量体机器人化控制能力。

“服务器/看管器”松开目标卫星，并带着天线机动到一个较远的位置，与目标卫星拉开安全距离。然后SATLET带着天线再次启动，验证其基本功能，验证完成后将天线丢弃，任其自由飞行。这个任务的目标是验证退役天线收集射频能量并将之传送给“看管器”的能力，验证其余一个指定地面站建立链路后再关闭链路的能力，验证SATLET能对自身及天线（不包括“服务器/看管器”）实施基本的整体姿态控制。

机器人航天器正在捕获卫星

“凤凰”与公司收购

“凤凰”计划还在航天业界引发了一场不大不小的风波。价值数千万美元的“凤凰”计划早期的合同被世界五大卫星制造商之一的美国空间系统劳拉公司获得，但空间系统劳拉公司的母公司——劳拉空间与通信公司——却认为卫星制造业赚钱不多，打算把这个子公司卖掉。

与此同时，加拿大MDA公司一直对如何延长在轨通信卫星的寿命很感兴趣，曾经考虑开发一种航天器，发射到静止轨道上后能与燃料耗尽、但其他系统尚能工作的通信卫星对接，充当后者的燃料储罐和推力器，使其继续工作。而且，MDA公司还擅长制造空间机器人，航天飞机和国际空间站上用的机械手就是MDA公司的大作。MDA公司一直很想进入美国军用航天器市场，但受美国法律限制而一直未能如愿。

空间系统劳拉公司被插上草标待售的消息一出，MDA公司大喜过望，立刻筹资数亿美元，决心将它买下。双方一拍即合，估计在2012年秋天，空间系统劳拉公司就要换个东家了。而“凤凰”计划的承包商也就会变成MDA公司。

地球附近废弃的人造卫星分布图

有这么单纯吗？

就笔者看来，DARPA的“凤凰”计划固然有它废物利用、节省资源的一面，但也存在着“醉翁之意不在酒”的另一面。废弃卫星上的天线固然有重复利用价值，但PODS加“服务器/看管器”的复杂组合不可能是廉价的，仅发射费用就可能吃光天线再利用节省下来的钱。而且，卫星总装总测是精密复杂的工作，一般需要在洁净车间里用大型工艺装备、由多名技师经过复杂流程才能完成。在轨道上用机器人来操作，能造出可用的卫星吗？

但有一点是明白无误的，“凤凰”一旦研制成功，有能力把一颗卫星的天线割下来。如果割天线的对象不是什么废弃的“合作卫星”，而是其他国家的现役卫星，“凤凰”就成了一种空间武器。一般通信卫星是没有自卫能力的，需要定点工作的静止轨道卫星连逃跑的能力都没有，只要被“服务器/看管器”盯上、被PODS附体，这颗卫星可能就完蛋了。所以，“凤凰”很有可能是以“挽救”为名行“摧毁”之实的一个空间进攻性武器研究计划。至少，它能为空间武器积累足够的技术。

携带机械臂的小卫星编队