模块化可重构航天器将成为航天器发展新方向

2019-06-18贾平中国航天系统科学与工程研究院

国际太空 2019年5期

贾平（中国航天系统科学与工程研究院）

2018年12月，由美国国防高级研究计划局（DARPA）“凤凰”（Phoenix）项目支持诺瓦沃克斯公司（NovaWurks）研制的“细胞卫星集成技术试验”（eXCITe）卫星搭乘猎鹰－9（Falcon－9）火箭发射进入太阳同步轨道，以在轨验证“细胞卫星”（Satlets）模块化可重构平台兼容有效载荷的能力。此次试验将推动模块化可重构航天器加速迈向工程应用。模块化可重构航天器可快速装配、在轨重组构型和功能，将成为未来航天器发展的新方向，并用于快速响应作战需求。

1 模块化可重构航天器基本情况

模块化可重构航天器是平台由多个外形尺寸相同、可被替换的模块按任务需求组装而成的航天器，可在轨重新组装平台，改变构型和能力，以支持不同功能和性能的有效载荷。每个模块集通信、控制、驱动和传动功能于一体，具有一种或多种平台子系统功能，可批量重复生产。“可重构”是指个别模块可拆卸更换，整个平台也能完全拆解重组，且更换或重组后硬件和软件能正常连接/联接。模块化可重构航天器具有传统模块化航天器不具有的优点：模块构型相同、通用性和互换性强，因而废旧航天器模块可被重新利用；可扩展性强，可通过增加模块增强性能；灵活性好，可随时拆解和组装，实现按需求调整构型和功能，升级和维修更便捷。

模块化可重构航天器有以下几种装配和部署方式。一是在地面装配后再寄宿在其他大型航天器上入轨并弹射部署；二是模块被发射至“国际空间站”，由航天员装配成航天器再释放部署；三是模块被发射入轨后由太空机器人装配并部署。随着自主技术等的发展，未来还可能实现不依赖外力，由各模块自主机动对接装配而成。

模块化可重构航天器的关键技术包括模块间的标准化接口设计；用于构型和功能变换的智能控制技术；多模块间通信、协同运动规划和控制等。

2 模块化可重构航天器发展情况

从21世纪初开始，美国、德国等开展了多项模块化可重构航天器研究，例如DARPA曾于2006年启动“具有快速、灵活、可分开和编队飞行能力的未来航天器计划”（简称F6，2013年已取消）。近年，DARPA资助的“凤凰”和德国航空航天中心（DLR）资助的“用于在轨卫星服务和装配的智能建造模块”（iBOSS）项目已开展或即将开展关键技术在轨验证。目前，这些研究主要在地面或利用太空机器人在轨装配模块，多数处于概念和关键技术研究阶段。随着自主技术、微纳卫星精确交会对接等技术的发展，模块自主对接装配将成为模块化可重构航天器的最先进装配形式。

“凤凰”项目开展概念和关键技术在轨验证

DARPA从2011年开始通过“凤凰”项目资助诺瓦沃克斯公司研究利用“细胞卫星”装配成“细胞卫星”模块化可重构航天器，这种航天器平台由多颗外形和尺寸相似的“细胞卫星”聚合体灵活按需组装而成。“细胞卫星”聚合体有2种，一种具有单一子系统功能，由多颗具有单一部件功能的“细胞卫星”基础模块组成，例如姿态确定与控制“细胞卫星”聚合体，由姿态传感器基础模块和姿态执行器基础模块组成；另一种具有全部子系统功能，由多颗同时具有2种或2种以上子系统功能的“细胞卫星”基础模块组成。聚合体数量越多，平台系统功能越强。目前，参与试验的聚合体“高度集成卫星”（HISat）属于第二种，尺寸在纳卫星级别。“细胞卫星”模块化可重构航天器可在地面装配，也可在空间站由航天员装配，未来还可由太空机器人在轨装配。为验证“细胞卫星”集成技术的可行性。

2015年底至2017年，航天员在“国际空间站”上手动组装了由6颗“高度集成卫星”和有效载荷构成的卫星，并于2017年释放进行在轨测试。2018年3月，由4颗“高度集成卫星”构成的“有效载荷在轨交付卫星”（PODSat）寄宿在一颗通信卫星上发射入轨，随后在188km×22250km轨道被释放部署，验证“细胞卫星”架构容纳新补充“细胞卫星”硬件的可行性，并提供试验数据。2018年12月，由14颗“高度集成卫星”构成的“细胞卫星集成技术试验”卫星进入太阳同步轨道开展第3次在轨验证试验。此次试验卫星的聚合体数量为历次试验最多，平台质量155kg。

德国iBOSS 项目即将开展在轨验证

德国航空航天中心于2010年开始资助iBOSS项目，拟研究利用太空机器人将“智能模块”立方体装配成模块化可重构航天器。模块边长40cm，内部可容纳几乎所有平台子系统，3～6个面装有力、热、电和数据传输四合一接口，用于模块间连接以及模块与其他部件、子系统、航天器连接。该项目计划2018年完成关键技术地面验证（至今未见已完成消息），计划2020年进行首次在轨验证。

美国开始探索不依赖外力的模块自主对接装配概念

近年，美国多家公司陆续提出利用多颗具有较强自主能力的模块/小卫星以在轨交会、逼近、对接方式装配成航天器的概念，但大多处于概念设计阶段。DARPA资助的“太空光学孔径自组装”（OASIS）项目计划研究通过小模块自主交会对接后装配成孔径大于5m的空间光学望远镜。重点研究标准模块精确机械装配、多目标交会对接，以及模块组件和系统自我测量校准位置和装配精度的技术。2016年，OASIS完成系统需求和初步设计评审，此后DARPA停止为该项目申请预算。2018年2月，美国航空航天公司（The Aerospace Corp）宣布正在通过“蜂巢”（Hive）项目研究利用智能单元模块按需在轨自组装成多种航天器平台的可行性。模块可能被做成立方体或蜂巢式的环状，可执行翻滚、跳跃、换位、爬升等动作，便于相互对接。在轨交会对接后连接锁定成航天器平台，运行时可互相传递电力、数据，并进行热传导。2018年3月，美国国家航空航天局（NASA）资助系绳无限公司（Tethers Unlimite）开展“制造者卫星”（MakerSat）项目，以验证小卫星在轨自主对接装配成大型航天器的可行性。

基于iBOSS项目在轨服务太空机器人和被服务航天器概念图

“蜂巢”模块自主对接装配概念图

3 几点思考

与传统航天器相比，模块化可重构航天器在设计、制造、部署和使用方式等方面都更具优势，将成为更快速、灵活、可靠和低成本响应作战需求，增强航天系统抗毁性的新型航天器。

模块化可重构某种程度上将变革航天器设计、制造、部署和使用方式

模块化可重构航天器具有如下优势：通过利用模块搭建平台，可灵活、快速地实现客户和任务定制；通过批量制造、在轨组装、替换、重构、重复利用模块，极大降低卫星制造、部署、维修、维护和升级成本，缩短部署周期；通过分批发射模块在轨装配，不受火箭整流罩尺寸和运载能力等对航天器的限制，催生超大型高性能航天器；废旧航天器模块被重复利用后，避免成为太空碎片。因此，在某种程度上，模块化可重构航天器被视为变革航天器设计、制造、部署和使用方式的新一代航天器。此外，其装配方式将由地面装配、航天员装配向太空机器人装配，再到模块自主对接装配方向发展，能进一步提升航天器部署、维修和升级速度，并节约建造机器人的成本。

模块化可重构航天器能快速、灵活响应作战任务

传统航天器设计、制造和部署周期长，即使采用模块化设计，通常只能实现在地面快速制造，部署周期仍较长，且无法按需重构和升级。航天器模块可通过搭载其他发射任务，在和平时期送入轨道储备；战时，可根据不同作战任务需求，选取在轨储备的模块定制成航天器，快速形成作战能力；也可根据任务变化重构或升级航天器，灵活、快速满足新任务需求。