“凤凰”计划关键技术及其启示

陈罗婧 郝金华 袁春柱 傅丹膺

（1 航天东方红卫星有限公司，北京 100094）（2 北京控制工程研究所，北京 100190）

1 引言

地球静止轨道（GEO）卫星以其独特的轨道特性，在民用和军用领域正发挥着越来越重要的作用。GEO 卫星的损坏和失效将造成巨大的经济损失和极大的社会影响。GEO 是人类在太空仅有的一条独特的轨道，是极其珍贵的轨道资源。GEO 轨道上运行着大量高价值的GEO 卫星，在通信、导航、预警、气象等民用和军用领域正发挥着越来越重要的作用［1］。有很多GEO 卫星因达到了正常使用寿命、燃料耗尽、报废，或因某一部件故障而退役，但是它们仍有许多能正常工作的昂贵零部件。因此，为了尽可能挽回GEO 卫星故障或失效造成的损失，并有效保护GEO 轨道资源，各国正在研究以非合作目标交会、卫星维修、寿命延长及轨道垃圾清除为目的的在轨服务技术。2012年7月，美国国防预先研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）启动了“凤凰”计划（Phoenix program），该计划旨在开发、演示联合回收技术，重新利用已经退役或终止寿命的GEO 卫星上的有价值部件（如大孔径天线）来组建新航天器，能够降低新型空间设备的开发成本和风险。

2 在轨服务技术研究现状

美国国家航空航天局（NASA）、欧洲航天局（ESA）以及日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）等航天科研机构都对在轨服务技术表现出了高度的关注，在航天器自主在轨服务技术上均开展了大量的研究工作，目前已提出或实施了多项研究计划，取得了重要的进展。如美国的“轨道快车”（Orbital Express）项目，利用三叉形对接机构技术实现了与空间合作目标的自主在轨对接。美国于2008年底到2009年初利用“微小卫星技术试验”（Micro-Satellite Technology Experiment，MiTEx）系统对其在轨失效的国防支援计划-23（DSP-23）导弹预警卫星进行在轨监测。中国的神舟八号、神舟九号和神舟十号与天宫一号，在交会对接设备的引导下分别完成了多次自动交会对接。

国内外至今还尚未实现与非合作目标的自主在轨对接捕获，与非合作目标的对接捕获技术还正在研究中。目前，美国、ESA 以及日本等纷纷提出针对非合作目标的在轨服务计划和任务。美国轨道复活公司（Orbital Recovery Corp）正在开发一种名为“轨道延寿飞行器”（OLEV）的太空拖车，可以同GEO上任何一种三轴稳定卫星相结合（见图1），能为质量在2500kg以下的燃料耗尽卫星延长10年工作寿命［2］。德国航空航天研究院（DLR）针对民用GEO卫星，提出“试验服务卫星”（ESS）（见图2），应用空间机器人技术，解决在地球静止轨道上运行的非合作目标卫星的在轨维护问题。ESS以实际故障卫星为目标，有针对性地对自主临近作业技术卫星进行了研究。在“轨道快车”计划后，美国重点发展了针对非合作目标的新一代空间机器人——“前端机器人使能近期演示验证”（The Front-end Robotics Enabling Next-term Demonstration，FREND）计划。从功能上看，FREND 计划是研制了一种空间机器人，其主要作用包括：①对于合作目标的航天器，能够进行在轨维修、转移并安装替换单元、补充燃料等，这种服务能使在轨航天器延长5～15年的寿命；②对于非合作目标的航天器，能够进行位置保持、姿态控制、轨道转移和修正［3］，如图3所示。

图1 OLEV 在轨对接示意图Fig．1 OLEV docking with the target

图2 ESS卫星概念图Fig．2 Concept of the DLR’s ESS system

图3 FREND 抓捕目标和轨道转移示意图Fig．3 FREND grappling and maneuvering with target

表1汇总了国外针对高轨非合作目标进行在轨服务的项目现状［1，4］，由于存在着一些技术难题，如非合作目标测量，非合作目标跟踪、接近、停靠的自主导航、制导与控制（GNC）技术，非合作目标抓捕与对接技术等。大多数的任务只完成了概念设计和关键技术地面演示验证。

表1 GEO 在轨服务项目（针对非合作目标）Table 1 GEO orbital servicing system（for non-cooperative target）

3 “凤凰”计划及其关键技术

美国继2007年通过“轨道快车”卫星演示低轨航天器（距地面492km）的在轨维修服务能力后，又开展了针对空间机械臂自主抓捕非合作目标的关键技术演示验证项目——FREND，希望开发出能够为现有卫星（尤其是位于高轨道的卫星）提供在轨服务的技术。FREND 项目能够利用多自由度机械臂自主抓取空间物体，为航天器提供救援、修理、空间碎片移除服务，以延长航天器的寿命。在FREND项目的基础上，DARPA 又提出了针对GEO 卫星的重用计划——“凤凰”计划，其力图通过创新发射、部署方式的突破，探索新型在轨服务模式，建立起一个面向重复利用的在轨服务支援体系。“凤凰”计划的设想是发展一种从废弃卫星上抢救、再利用零部件（如天线）的技术。其方案是从一颗退役卫星上“剥离”大型天线（如图4所示），并重新构造一颗新卫星，置于GEO 轨道。“凤凰”计划瞄准了卫星成本的主要因素——天线，并且对其进行再利用［4-5］，计划在2015年至2016年实现“凤凰”计划的在轨演示验证。

图4 服务航天器从退役卫星上切割有用的天线Fig．4 Remove antenna from retired spacecraft

3．1 “凤凰”计划概况

在“凤凰”计划中，整个大系统主要包括以下3个创新系统［6］：

（1）有效载荷在轨交付系统（payload orbital delivery system，PODS）：作为有效载荷搭载到商业卫星上并发射到GEO 轨道，之后，通过商业卫星上的弹射装置，将PODS在轨释放。

（2）服务航天器（Servicer／Tender）：装有机械臂，能利用退役的在轨卫星上的天线重新构造一颗新的通信卫星，并带着新卫星进行轨道转移，作为新卫星的中继通信站和无线能量传输站（如图5所示）。

图5 向模块卫星进行能量传输Fig．5 Beam energy for satlets

（3）模块卫星（satlets）：放在有效载荷轨道交付系统（PODS）内作为搭载有效载荷。模块卫星功能各异，但设计均为标准结构，以适应有效载荷在轨交付系统和服务航天器上的相关标准接口。

“凤凰”计划在轨任务将由PODS搭载发射、服务航天器发射入轨、释放PODS、捕获并储放PODS、与退役卫星交会接近、安装模块卫星、切割天线、将新卫星移至新运行地点等8 个步骤完成［6-7］（见图6）：①PODS作为有效载荷搭载在地球静止轨道商业卫星上，发射上天；②服务航天器将发射到相邻地球静止轨道上；③服务航天器接近到距离搭载PODS的地球静止轨道卫星1km 位置后，地球静止轨道卫星释放PODS；④服务航天器与自由漂浮状态的PODS交会逼近，用机械臂捕获PODS，并将其储放到专门用于存放PODS的工具带（toolbelt）上；⑤服务航天器随后与退役卫星交会，从40km 开始逼近到1．5m 的位置，捕获退役卫星；⑥服务航天器利用机械臂把多个具有不同功能（如具有馈源和转发器、姿态控制等功能）的模块卫星安装到退役卫星的天线上，集成新卫星；⑦机械臂将与退役卫星平台连接的天线支撑杆切断，并将天线拆下；⑧服务航天器携带新卫星变轨到GEO 上的新运行地点后释放新卫星，并停泊在与新卫星相距不远的位置上，向新卫星提供中继通信、无线能量传输和轨道保持功能。

图6 在轨任务想定Fig．6 Notional demonstration scenario

美国海军研究实验室（NRL）是“凤凰”计划的系统集成者。DARPA已为“凤凰”计划第一阶段工作选定了各领域的承包商，包括从航空航天和通信业的巨头到新兴企业共5家公司，这些承包商有：Altius太空机械公司，Intelsat通用公司，极光飞行科学公司（NovaWurks），NASA 喷气推进实验室，劳拉空间系统公司。他们将对“凤凰”计划所涉及的部分关键技术进行概念研究和原理样机研制。“凤凰”计划的5年实施路线共分三个阶段（见图7）［6，8］：

第一阶段：早期独立研究阶段。各承制商完成初步设计评审（相当于系统概念评审）和原理样机研制；该阶段计划历时14个月，原计划于2013年8月结束。

第二阶段：设计、制造、集成、地面验证试验、系统测试阶段。第二阶段由2个子阶段组成：2a为方案设计阶段，投标商组成团队共同设计总体解决方案；2b为研制阶段，在第二阶段的第4个月启动，计划2015年下半年完成PODS 的研制工作，搭载在GEO 商业通信卫星上发射，2015年年底完成服务航天器的相关环境试验。该阶段计划历时26个月。

图7 “凤凰”计划实施路线图（按财年）Fig．7 Notional program timeline（in Government FY）

第三阶段：发射、在轨试验工作阶段。完成服务航天器的研制工作并发射。在轨试验时间为12个月，卫星寿命为54个月。第三阶段由2个子阶段组成，分别为6个月：3a为考核试验阶段；3b为扩展试验阶段。

3．2 “凤凰”计划的关键技术

3．2．1 PODS总体设计技术

多个模块卫星将折叠放入有效载荷在轨交付系统（PODS）中，搭载在商业卫星上，作为搭载有效载荷进入地球静止轨道。通过现有商业通信卫星的搭载接口标准研究，制定PODS 搭载接口研制规范，可以充分利用商业通信卫星的发射获得搭载机会。PODS的整体结构形成“适配载体＋功能载荷”的标准化模式，采用标准化接口，包括标准化的机械接口、电气接口、数据接口、热接口等，既能适应商业通信卫星上的搭载接口，又能适应服务航天器上的工具带，其概念设计图见图8［8］。

图8 PODS概念设计图Fig．8 Sample PODS

3．2．2 模块卫星总体设计技术

模块卫星以功能模块形式构成新卫星的各子系统，例如：安装在旧天线的馈源处替代馈源和转发器；安装在天线背部的多个模块卫星共同进行新卫星的姿态控制，如图9所示［9］。

图9 模块卫星安装示意图Fig．9 Example of satlet aggregation for Phoenix

“凤凰”计划拟利用“细胞形态学理论”进行模块卫星的设计，每一个“细胞”为缩小的传统卫星的子系统或组件，如电源、姿态控制、热控、推进等。任意数量和几何形状的“细胞”装配到一起构成一颗模块卫星，其概念设计见图10［9］。利用这种可替换的卫星体系架构，可实现模块卫星的大批量生产、低成本和标准化。

图10 模块卫星概念设计图Fig．10 Satlets’s concept

3．2．3 机械臂技术

“凤凰”计划中服务航天器将安装FREND 的七自由度机械臂（见图11）和下一代灵巧机械臂（见图12）。精巧灵活的机械臂系统是实现复杂在轨服务操作的关键部件，其相关技术是在轨服务研究的难点之一。一方面，机械臂本身的机械设计十分复杂；另一方面，在特殊空间环境下对机械臂的综合控制十分困难。

图11 FREND 原理样机Fig．11 FENDD prototype arm

图12 下一代灵巧机械臂Fig．12 Next generation hyper-dexterous arm

机械臂技术包括了多项核心技术：

（1）机械臂设计：空间机械臂的构型设计主要由关节自由度配置和关节间连杆尺寸两个方面决定。进行机械臂的构型设计时考虑的主要因素有：运动学特性、安装与折叠性要求以及动力学特性。

（2）遥操作技术：空间机械臂遥操作中最主要的问题，是空间与地面通信中的时间延迟以及有限的数据传输带宽。该技术又涉及预测仿真、在轨系统参数辨识、时延建模等多项关键技术。

（3）多臂控制技术：对安装于一个航天器上的多个机械臂进行协调控制比对单臂的控制更困难。多个机械臂的机械手将同时在负载内部产生应力，如果应力不受限制，机械臂的关节力矩所产生的力，可能损坏负载或机械臂自身。服务航天器还需多臂协调作业实现复杂精细操作。2012年3月，“国际空间站”上的“专用灵巧机械手”（Dextre）利用“机器人燃料加注任务”（RRM）的导线切割工具，进行了一次最为复杂的操作：切开了两条扭在一起的直径仅有0．5mm 的双绞线。

3．2．4 新型在轨捕获技术

NASA 喷气推进实验室（JPL）将为“凤凰”计划提供一种名为“壁虎-粘附器”（Gecko-Gripper）的粘合垫，安装在Altius太空机械公司建造的可展开吊杆上，用于进行在轨捕获，如图13所示。其工作原理是模仿壁虎脚趾面的粘附机理，利用柔性微纳米阵列与固体表面之间的范德华力实现粘附。该粘附结构具有粘附力大，对任意形貌的材料表面的适应性，对物体表面不会造成损伤，自洁、反复使用等优点。目前，国内外在仿壁虎粘附阵列的研制方面已经做了大量工作，并取得很大的进展。这些微纳米粘附阵列能确保足底和墙壁接触面积大，进而使范德华黏性达到最大化。目前，仿壁虎微纳米粘附阵列还未在空间实际应用，其在空间环境超低温、冷热循环下的稳定性，空间辐照环境下的影响效应等多项关键技术尚待突破。

图13 可展开吊杆及“壁虎-粘附器”Fig．13 Sticky boom and gecko-gripper

3．2．5 临近测量与识别技术

服务航天器在进行跟踪接近和捕获目标时，需要对目标进行特征识别，以实现对相对位置及姿态的估计。临近测量与识别敏感器既要对通信卫星等大目标和PODS等小目标的跟踪接近提供信息支撑，又要对退役卫星状况的检查和机械臂操作提供信息支持。测量系统的精度、准确度和信息获取与处理的实时性，直接影响到交会对接的成功与否以及任务执行的效果。非合作目标由于没有配备目标标识器，因此得到的目标信息通常是不完备和不精确的，因此如何给出高精度的相对导航信息是难点之一。表2中为服务航天器携带的敏感器组合的主要性能参数。

表2 敏感器组合的主要性能参数Table 2 Sensor suite performance

3．2．6 捕获后组合体稳定的协调控制技术

服务航天器捕获GEO 目标后，组合体（包括服务航天器及捕获的卫星）的质量特性和动量都将发生突变，基座及机械臂原有的控制参数在质量特性、系统动量发生突变的情况下，不但不能满足控制性能要求，而且会导致整个系统失稳，严重的可能使组合体在空间翻滚。因此，捕获后组合体的稳定控制极其重要，是保证后续顺利开展对目标进行操作的前提。目前的研究方法多是假定目标的质量、惯量及运动速度已知，基于捕获前对抓捕后情况的预估而进行的规划和控制研究，并未考虑完成捕获后的组合体的稳定控制问题。在完成捕获目标后，组合体的质量、惯量、质心位置发生突变，应充分考虑这些可能的变化，对组合体转动惯量和质心位置等进行在轨自主辨识，并设计相应的鲁棒控制或自适应控制算法，以保证整个系统的稳定。

3．2．7 无线能源传输技术

能源传输技术是“凤凰”计划中一项很重要的基础技术。目前，无线能源传输技术主要有以下几种方式：低频电磁耦合能源传输技术，高频微波能源传输技术，激光能源传输技术。“凤凰”计划中，服务航天器将通过激光能量传输技术为模块卫星提供能源服务，如图14所示。激光无线能量传输技术包括高效、高光束质量的激光发射器技术、高效激光-电能转换器件技术、激光能量传输及控制模块的研究。利用激光进行能量传输，因为其具有能量集中，能流密度高的特点，因此激光能量的接收端设备可以尽量减小体积和重量。空间无线能源传输技术距离真正的空间应用还有很大的距离，通过激光进行无线能量传输，虽然能量的发射端及接收端设备重量和体积很小，但是激光的能量传递效率大多不超过20%，在空间应用中将造成巨大的能源浪费。目前，“凤凰”计划研制团队在实验室中采用高密度激光束获得了20 W／cm2的能量输出密度。

图14 能量传输系统Fig．14 Beaming system

3．2．8 重构后新卫星的姿态确定与控制技术

模块卫星安装在通信卫星天线背部，重构为一个新的系统，如图15所示。模块卫星在天线背部的位置不是预设的，须要自主确定卫星安装位置，在增加更多模块卫星后，其质量也增加了，新系统的动量将发生变化。因此，如何更好地利用机动来控制飞行器是重构后新卫星的姿态确定与控制技术的关键。“凤凰”计划将通过研究利用太阳光压来实现对重构后组合体的分布协调控制。

图15 重构后的通信卫星Fig．15 Reconstituted satellite

3．2．9 多任务地面仿真、测试与演示验证技术

通过大量的地面仿真、测试和演示验证，能够对”凤凰”计划所涉及的多项关键技术进行及时的测试和可行性验证，从而降低技术研究与开发的风险和成本。研究和分析在轨捕获过程的动力学特性也尤为关键，捕获过程的动力学模型建模须同时考虑相对轨道运动、相对姿态运动和捕获机构的运动，还应考虑捕获时可能发生的刚性碰撞动力学过程。精确的动力学模型可以用来验证相对轨道与姿态运动控制算法、捕获对接规划策略以及交会避撞策略等。验证捕获对接动力学模型正确性和运动控制算法可以开展地面半物理试验，采用气浮平台创建一个无摩擦的平面仿真环境，如图16所示。

图16 多设备信息交互地面验证试验Fig．16 Multi-facility interaction for Phoenix scenario testing

目前，DARPA 已经开展多个原理样机的研制及其关键技术的地面验证试验，如FREND 捕获PODS的气浮台试验、“壁虎-粘附器”粘附试验、地面遥操作试验、天线切割试验等，如图17所示［10-11］。

图17 原理样机及其关键技术验证试验Fig．17 Prototype and key technologies testing

4 启示

综上所述，本文通过对“凤凰”计划的介绍和关键技术的分析，可以得到以下几点启示。

1）卫星重用将带来航天器发展的重大变革

根据MDA公司估算，2002—2011年的10年间，全球共有50颗GEO 通信卫星因燃料提前耗尽而失效，15颗因其他原因不能正常工作。替换这些卫星的成本为120亿～160亿美元。2012—2020年可能有106 颗GEO 通信卫星因燃料提前耗尽失效，30颗因其他原因不能正常工作，替换卫星的成本更是高达300亿～360亿美元［12］。如果能够通过在轨重用卫星的大型天线等零部件，并集成新卫星，可以大大降低航天器全生命周期费用，具有显著的经济效益。目前，我国在自主在轨服务技术方面的研究还是以低轨航天器为主，针对高轨卫星的研究较少。在在轨服务的任务需求牵引下，我国进行在轨服务对象可更多地瞄准高轨道的一些高价值目标，将多臂机器人、精细遥操作等面向复杂空间操作的技术更多地应用于非合作目标航天器在轨重用任务中。

2）采取渐进式思路发展卫星自主在轨服务

美国首先是在近地轨道上开展对合作目标的演示验证，如“轨道快车”项目；然后逐步向高轨道、非合作目标推进，提出了拟在地球静止轨道上进行的FREND 项目；随后再开展技术难度更大的在轨重用技术——“凤凰”计划的研究工作。这种符合技术进步先易后难、循序渐进的发展思路值得借鉴和遵循。我国在发展在轨服务技术时，应该考虑技术难度，合理制定关键技术研究的优先顺序和发展路线。

3）注重创新技术开发

“凤凰”计划将依靠某些地面技术作为起点，进行空间适应性的二次创新开发。例如，医生为病人远程实施手术的机器人遥操作系统，石油钻井工人探测海底时使用的先进遥感成像系统，以及仿生壁虎机器人粘附脚掌的仿生制造技术。同时还要研发先进的动力、推进和通信技术，以降低模块卫星的尺寸和质量。

4）利用“共享搭载”降低成本

“凤凰”计划中的“共享搭载”是一个开拓性的发射途径，通过在卫星上预留发射槽或标准接口，将PODS直接纳入到当前正在计划和处于方案研制阶段的GEO 商用通信卫星的设计中，这样有效载荷能整合到“任何”可利用的卫星上。搭载有效载荷与主有效载荷共用一个卫星平台、发射设施，使其运营成本大大减少，这也是我国在发展自主在轨服务技术时值得借鉴的一个思路。

5）遵循“先期概念研究—地面仿真、测试和演示验证—飞行试验”的研制路线

“凤凰”计划针对其关键技术开发了多个地面演示验证系统，专门设计了相关的测试设备和测试方法。我国在进行自主在轨服务技术的研究和设备的研制时，也应通过合理制定地面的演示试验方案，有效地提高研究效率，稳步推进在轨服务技术的发展。

5 结束语

DARPA 作为不断创新和探索的机构，虽然提出了“凤凰”计划的发展构想，但是该项目还须要突破多项关键技术，在一定程度上，还存在一定的不确定性。

“凤凰”计划通过重新利用在轨退役卫星，创建低成本的“卫星通信”，将“太空垃圾”改造成为太空资源，能够削减成本、降低风险。“凤凰”计划将对未来的在轨服务领域起到重大的推动作用。一旦该新型空间系统体系结构成熟并投入应用，将给空间系统现有的运行和应用方式带来巨大冲击，也将引发空间技术的革命性变革。本文对“凤凰”计划作了具体介绍和分析，其设计技术和在轨运行控制技术对我国开展相关的研究、设计具有借鉴意义。

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