“女娲”计划：面向地球静止轨道的在轨服务系统

张雅声， 程文华(. 装备学院 航天装备系， 北京 046; . 装备学院 研究生管理大队， 北京 046)

“女娲”计划：面向地球静止轨道的在轨服务系统

张雅声1， 程文华2
(1. 装备学院 航天装备系， 北京 101416; 2. 装备学院 研究生管理大队， 北京 101416)

地球静止轨道(GEO)因其良好的轨道特性，在人类航天活动中扮演着重要的角色。随着GEO资源的日益紧张，GEO碎片的清理工作刻不容缓。针对GEO带的空间碎片清理，提出了名为“女娲”的GEO在轨服务计划，利用在轨回收、3D打印、在轨组装等关键技术，实现基于空间碎片的在轨制造能力，并从任务需求、任务使命、任务流程、系统组成以及卫星系统概念设计等方面，对“女娲”计划进行了系统分析。

3D打印；在轨制造；在轨组装；在轨服务；模块化设计；空间碎片

随着人类太空活动的日益频繁和航天科技的迅猛发展，太空目标数量迅速增多。而以地球静止轨道(The Geostationary Orbit,GEO)为代表的高轨，因其良好的对地静止特性，成了世界各国争相抢夺的轨道资源[1]。由于GEO卫星相对于地面的某一点是静止不动的，地面站很容易便可实现对其追踪，这就为很多卫星应用提供了便利，GEO也在通信、导航、预警、气象等民用和军用领域发挥着越来越重要的作用。因此，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。

本文提出名为“女娲”的GEO在轨服务计划。女娲氏是中华民族的人文始祖之一，其抟土造人，炼石补天的故事激励着一代代的中华儿女。本文设计的GEO在轨服务计划，取名“女娲”，突出创造、变废为宝的思想，并且在轨维修和在轨制造对应于“补”，GEO资源也对应于“天”，相得益彰。“女娲”计划旨在建立一个天基微小卫星制造系统，该系统以GEO带上的空间碎片为主要目标，利用在轨回收、3D打印、在轨组装等关键技术，实现空间碎片批量处理和基于空间碎片的在轨制造能力，对于提高我国高轨在轨服务能力具有重要意义。

1 “女娲”计划需求分析

“女娲”计划是以GEO带上的空间碎片为主要目标，通过将碎片分解成3D打印材料，利用3D打印技术，实现在轨制造的能力。而针对GEO目标的在轨服务主要包括两大类：GEO环境的在轨保护和GEO卫星资源的在轨服务。下面从这两方面进行“女娲”计划的需求分析。

1.1 GEO环境在轨保护的需求

通常认为理想的GEO是轨道倾角为0°、轨道半径为42 164 km的圆轨道，轨道周期与地球自转周期相同；严格意义上，太空只有一条GEO[2]。由于运行在GEO上的卫星相对地面上任何一点都是静止不动的，这就给对地观测、地面测控等带来了诸多便利。因此，GEO是非常宝贵的太空资源。然而，通常情况下单颗GEO卫星占有的赤道经度范围为±0.1°，也就是说，GEO理论上最多能容纳1 800颗卫星[3]。自1963年首颗GEO卫星Syncom 2发射以来，总共有1 400多个GEO物体可获得其轨道参数，其余还有很多已知或未知的空间碎片无法获得轨道参数。由于GEO不存在大气阻力，这1 400多个物体(未来这一数字还会增加)都长期滞留在GEO轨道附近，这样就导致GEO环境越来越“拥挤”。对于无法进行经度保持控制的空间碎片，由于地球非球形摄动的作用，将向最近的天秤动轨道平衡点(75.1°E，105.3°W)发生经度漂移[4]；随后，会在此平衡点附近作往复振荡运动(如图1所示)，这样就会导致这一区域比其他区域更加拥挤。

对于GEO来说，空间碎片主要是GEO范围内或者GEO附近的卫星碎片、火箭上面级和不可控的废弃卫星。GEO上的空间碎片、正常运行的卫星及轨道环境之间存在相互影响的关系，如果不采取人为措施，一旦发生碰撞，这种关系将在GEO自然特性的作用下，形成一种与“凯斯勒症候群”(Kessler Syndrome)类似的恶性循环[5-6]，造成不可挽回的损失，图2给出了GEO卫星相撞2 d后的碎片扩散情况。

a) 地球非球形摄动引起的经度漂移变化

b) 地球静止轨道物体分布图1 地球非球形摄动引起的经度漂移变化及相应的物体分布(2015-04)

图2 GEO卫星相撞2 d之后碎片扩散情况仿真[7]

1.2 GEO卫星资源在轨服务的需求

以2016年1月版的忧思科学联盟卫星数据库[8](Union of Concerned Scientists Satellite Database)为主要数据来源，对GEO卫星资源进行分类统计。截至2016年1月1日，共有1 381颗卫星在轨运行，其中，低轨(Low Earth Orbit,LEO)卫星759颗，GEO卫星493颗，中轨(Medium Earth Orbit,MEO)卫星92颗，椭圆轨道卫星37颗。分别按照使用者和使用目的对493颗GEO卫星进行分类，其组成如图3和图4所示。

图3 GEO卫星按照使用者分类(截至2016-01-01)

图4 GEO卫星按照使用目的分类(截至2016-01-01)

另一方面，GEO卫星在寿命终止前，可能由于GEO环境恶化、自身异常等原因而发生故障，而GEO的特殊性使得地面很难对这些故障进行直接有效的处理。若重新发射一颗卫星进行替代，无论是从经济还是轨道资源的角度来讲，都极其浪费。如果可以通过在轨服务来对现有卫星进行在轨维护、延寿，甚至是升级、组装，这样不仅可免去发射一颗卫星所需的高昂费用，还可使得一些现有发射能力无法完成的GEO任务成为可能。由此，GEO卫星在轨服务的现实需求包括：降低GEO卫星失效的风险；减少进出、利用GEO的成本；提升GEO卫星性能；改善GEO任务的灵活性；增加GEO任务的可拓展性。此外，GEO卫星在轨服务也可以从根本上减缓GEO太空物体数量不断增加的趋势，这对于保护GEO环境也具有重要意义。

2 “女娲”计划系统设计

2.1 “女娲”计划任务使命

“女娲”计划旨在建立一个天基微小卫星制造系统，该系统以GEO带上的空间碎片为主要目标，利用在轨回收、3D打印、在轨组装等关键技术，实现基于空间碎片的在轨制造能力，具有前瞻性、先导性、探索性和颠覆性。“女娲”计划至少应该具备以下几种任务使命：

1) 空间碎片重复利用。应能在识别空间碎片材料的基础上，针对可重复利用的材料，通过材料分解技术实现对空间碎片的重复利用。

2) 空间碎片批量移除。应能对不能重复利用的空间碎片进行批量压缩打包处理，将碎片压缩包运送回地面，或者拖到更高轨道上。

3) 卫星部件在轨制造。应能够利用分解碎片后的材料，通过3D打印技术，实现卫星部件的在轨制造，为微小卫星在轨组装和故障卫星修复提供支持。

4) 微小卫星在轨组装。应能利用在轨制造的卫星部件以及携带的有效载荷，结合具体任务，在轨组装成微小卫星。

2.2 “女娲”计划任务流程

女娲计划任务流程示意图，如图5所示。

图5 “女娲”计划任务流程示意图

1) “女娲”星发射入轨并进行轨道机动，进入坟墓轨道。“女娲”星在坟墓轨道运行时，对坟墓轨道空间碎片进行材料识别，根据空间碎片所具有的材料对其进行分类编号。

2) “女娲”星接收到地面指控中心发来的打印指令后，根据3D打印模型所需要的材料，按编号寻找出满足材料要求的空间碎片，并机动到选定碎片周围。

3) “女娲”星接近空间碎片，并释放子卫星对空间碎片进行最终逼近。

4) 子卫星利用机械臂对空间碎片进行捕抓回收(或者切割其有效载荷)，并返回中心卫星平台。

5) “女娲”星对回收的空间碎片进行拆分并制成3D打印墨盒，通过在轨打印，制造出模块化微小卫星部件，并进行必要的在轨组装。

6) “女娲”星释放携带新型微小卫星或者卫星部件的子卫星，子卫星机动到目标点，释放小卫星，并返回中心平台；或者与故障卫星交会，利用机械臂捕抓故障卫星并利用打印的卫星部件对其进行维修。

2.3 “女娲”计划系统组成和功能

“女娲”计划系统由一个中心平台和若干子卫星构成。其中，中心平台主要负责材料分解、3D打印、在轨组装等，子卫星负责收集碎片、运输卫星组件、在轨拆卸以及在轨维修等。在进行分析时，将系统功能分为基本功能和任务功能两部分。相应地，也可以将系统分为两层——基本属性层和任务属性层。

2.3.1 中心平台

从任务流程来看，中心平台涉及功能包括：接收碎片、分解碎片、存储原材料、3D打印、在轨组装、释放小卫星、子卫星停泊、轨道机动等，其卫星功能分层如表1所示。

表1 “女娲”星中心平台两层卫星功能分层

2.3.2 子卫星

从任务流程来看，“女娲”星子卫星的功能包括：捕抓碎片、运输卫星组件、在轨拆卸、在轨维修以及轨道机动等。同样进行功能分层，如表2所示。

表2 “女娲”星子卫星两层卫星功能分层

3 卫星系统概念设计

3.1 中心平台设计

3.1.1 设计思路

系统分成基本属性层和任务属性层两部分。基本属性层的设计可参照传统卫星平台进行设计，任务属性层采用工业流水线方式进行设计，将卫星任务属性层分成六大区域，分别为碎片收纳区、碎片分解区、材料存储区、3D打印区、在轨组装区和临时存储区。其中，碎片收纳区接收子卫星捕抓的空间碎片并将碎片传送到碎片分解区；碎片分解区将碎片分解成可以进行打印的原材料，并存储到材料存储区当中；材料存储区专门存放3D打印材料；3D打印区从材料存储区获取材料进行卫星器件打印；打印好的卫星器件通过传送装置传送到在轨组装区进行在轨组装；临时存储区主要用来存放组装好的微小卫星，等待子卫星取走。

3.1.2 概念设计模型

对照上面的设计思路，任务属性层的概念结构图如图6所示。

图6 “女娲”计划中心平台任务属性层概念结构图

如图，任务属性层采用6个立方体舱室拼接成一个在轨制造流水线。在其上方再加上基本属性层，就得到了“女娲”计划中心平台的概念设计，如图7所示。

图7 “女娲”计划中心平台概念设计

3.2 子卫星设计

3.2.1 设计思路

由2.3.2节分析可知，子卫星的任务属性层涉及捕抓碎片、在轨拆卸、运输卫星组件、在轨维修等功能。因此，子卫星任务属性层应该包括两部分：(1) 空间碎片收纳部分；(2) 在轨服务模块。

3.2.2 概念设计模型

1) 在轨服务模块概念设计。在轨服务模块由于需要进行在轨捕抓、拆卸、维修等，所以至少需要3个机械臂结构及其他相关载荷器件，其概念结构图如图8所示。当子卫星处于待工作状态时，机械臂处于收拢状态；而当子卫星进行工作时，机械臂弹出，进行相应在轨操作。

b) 工作状态图8 “女娲”计划子卫星在轨服务模块概念结构图

2) 卫星组件/空间碎片收纳室概念设计。卫星组件/空间碎片收纳室应满足与中心平台的无缝传接，收纳室位于子卫星中部，由一个驱动轴驱动。未工作时，收纳室处于中部，未旋转；当子卫星对碎片进行捕抓收纳时，驱动轴驱动收纳室旋转，机械臂将碎片放入收纳室中，如图9所示。

a) 未工作状态

b) 工作状态图9 “女娲”计划子卫星收纳室概念结构图

3) 子卫星概念设计。加上基本属性层设计，子卫星概念设计图如图10所示。

图10 “女娲”计划子卫星概念设计图

3.3 新型微小卫星设计

3.3.1 设计思路

微小卫星应该具有小型化、快速化、模块化、适合3D打印、在轨组装等特点。为避免各种电线数据线，本文设计的新型微小卫星采用模块化的立方体卫星，对各个子系统实行模块化封装，模块和模块之间采用插拔式结构，并利用我国古建筑的木构榫卯[9]结合技术来提升组件的可打印性和可组装性。

3.3.2 连接结构设计

1) 插拔结构设计。插拔结构涉及模块与模块之间的能量传输、数据传输等，是一个多通道连接问题，对此在进行设计时，采用以下2种插拔结构，如图11所示。

a) 插拔结构一

b) 插拔结构二图11 插拔结构概念设计图

2) 桁架结构设计。在进行微小卫星桁架结构设计时，借鉴我国优秀传统文化古建筑的木构榫卯结合技术来替代螺丝螺母，增强结构的可打印性和可组装性。榫卯的功能就在于使得千百件独立、松散的构件紧密结合成一个符合设计要求和使用要求的，具有各种荷载能力的完整的结构体。

3.3.3 概念设计模型

一个模块化的卫星设计通常包括：电源模块、指令与数据处理模块、姿态确定与控制模块以及有效载荷。这其中，只有有效载荷是随任务变化的，其他部分都是可以通用的。对新型微小卫星进行模块化概念设计时，采用立方体卫星分层思路，分层如图12所示。

图12 微小卫星分层示意图

图12中，电源模块和指令与数据处理模块位于中间，有效载荷和姿控模块由于其工作需要，位于微小卫星外侧。分层后，以此进行微小卫星概念设计，相应概念设计爆炸图如图13所示。

图13 微小卫星概念设计爆炸图

4 结 束 语

本文针对GEO提出了“女娲”计划空间碎片的在轨服务系统，首先对“女娲”计划进行了需求分析，之后给出了“女娲”计划的任务使命、任务流程，最后对“女娲”计划的卫星系统进行了概念设计。与国内外其他在轨服务系统相比，“女娲”计划提出了一种新的GEO空间碎片处理方法；改变了传统卫星制造模式，降低成本，提高速度；并借鉴我国传统优秀文化古建筑的榫卯结合技术，给出了一种更具可打印性和可组装性的微小卫星概念设计。下一步的研究工作是对计划中涉及的任务流程进行详细分析，尤其对其中的关键技术进行梳理归纳，给出技术成熟度报告，为计划的后续研究打好基础。

References)

[1]梁斌,徐文福,李成,等.GEO在轨服务技术研究现状与发展趋势[J].宇航学报,2010,31(1):1-13.

[2] 李恒年.地球静止卫星轨道与共位控制技术[M].北京:国防工业出版社,2011.

[3] 李恒年,高益军,余培军,等.GEO共位控制策略研究[J].宇航学报,2009,30(3): 967-973.

[4] 王正才,邢国华.地球静止轨道手册[M].北京:国防工业出版社,1999: 59-64.

[5] KESSLER D J,JOHNSON N L,LIOU J C,et al.The Kessler syndrome: implications to future space operations[C]//33rd Annual AAS Guidance and Control Conference.Breckenridge,Colorado：AAS Publication，2010.

[6] 陈道明,张照炎.如何处置静止轨道上废弃的卫星[J].中国空间科学技术,1990(3): 67-68.

[7] OLTROGGE D,FINKLEMAN D.Consequences of debris events in geosynchronous orbit[C]//AIAA/AAS Astrodynamics Specialist Conference and Exhibit.Honolulu,Hawaii：AIAA，2008.

[8] Union of Concerned Scientists.UCS satellite database [DB/OL].(2016-01-15)[2016-11-15].http://www.ucsusa.org/global_security/space_weapons/satellite_database.html.

[9] 马炳坚.中国古建筑木作营造技术 [M].2版.北京:科学出版社,2010.

(编辑：李江涛)

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

张雅声(1974—)，女，教授，博士生导师，主要研究方向为航天任务分析与设计。13521219203@139.com