基于多要素评估的快响应轨道救援方法研究

晁鲁静，张耀磊，谢泽兵

基于多要素评估的快响应轨道救援方法研究

晁鲁静，张耀磊，谢泽兵

（中国运载火箭技术研究院研究发展中心，北京，100076）

近十年全球航天发射活动成功率一直保持在90%以上，但发射失败仍难以避免，航天事故导致各国对空间资源的开发成本大幅增加，制约航天产业的持续发展。在航天发射事故中未进入预定轨道的发射事故占比接近50%，存在很大的救援空间，对典型航天事故影响进行分析，提出了卫星救援多要素估值评价方法，从经济成本、时间成本、产业影响、社会影响等多要素对卫星损失和救援代价进行综合评估，提供救援任务全流程规范指导，可有效提升轨道救援系统的快速响应能力。

多要素评估；轨道救援；快响应；航天事故

0 引 言

经过半个多世纪的发展，人类对太空的探索已经由认知太空转入应用太空的新阶段。伴随着航天产业高速发展，发射事故时有发生，从公开资料统计的近年航天发射活动成功率见图1。

图1 近年航天发射活动成功率统计

由图1可知，近10年全球航天发射活动成功率一直保持在90%以上。但发射失败仍难以避免，航天事故导致各国对空间资源的开发成本大幅增加，制约航天产业的持续发展。

对发射事故进行统计发现，在20世纪90年代至2016年间的92次发射事故中，卫星未进入正确轨道等部分成功的发射活动为43次，占比约为47%，见图2。造成发射部分成功的原因基本可分为运载火箭性能降低、上面级故障、分离故障和卫星变轨发动机故障等。在此类发射事故中，大部分卫星完好无损，或卫星仅自身动力系统故障，其余系统仍可以正常工作，具有非常大的抢救价值。

图2 发射事故统计（1993~2016年）

卫星的制造和发射费用较高，地球静止轨道（The Geostationary Orbit，GEO）卫星的价格从1.5亿美元（如Intelsat-603）到12亿美元（如Milstar-2）不等，其中不包括卫星服务产生的经济效益，卫星故障带来的损失非常巨大。针对高价值卫星开展在轨救援具有可观的经济效益，以辅助离轨为例，如果采用轨道救援技术辅助GEO卫星离轨，使卫星本用于主动离轨的燃料用于轨道维持，可使卫星延长6个月左右的寿命，并带来额外收益（见表1）[1]。

表1 GEO卫星辅助离轨的预期收益情况

Tab.1 Expected Benefits from Assisted Deorbit of GEO Satellite

卫星名称时间/年额外6月收益亿美元辅助离轨成本亿美元纯收益亿美元 国际通信卫星-7071996~20079.51224.40774.1533 国际通信卫星-9012001~20110.52330.36270.1083 国际通信卫星-9042002~20120.86640.51710.2627 国际通信卫星-9072003~20130.77300.47510.2207 新天-7卫星2002~20140.64480.41740.1630 泛美卫星-1R2000~20150.54850.37400.1196

因此，快速发射轨道救援飞行器进入轨道为入轨失败卫星提供轨道转移能力，辅助其进入预定轨道，可以减少卫星发射失败带来的损失，降低运载发射风险，对于促进航天产业发展具有重要的意义。

1 发射事故影响分析

航天技术是衡量一个国家科技水平和综合国力的重要标志之一，航天事故除带来直接的经济损失外，也对社会、政治及军事等多方面产生较大影响，下面以几个典型案例对发射事故影响进行分析。

案例1：2010年10月28日，阿里安-5运载火箭搭载欧洲通信卫星-W3B卫星发射升空，由于发生推进剂泄露，卫星未进入静止轨道。卫星购买保险费用 3.25亿美元，原计划定位于16°E轨位，用于替代另外3颗卫星，为欧洲中部地区和部分印度洋岛屿提供数字电视服务，同时为非洲地区的宽带和电话服务提供更多便利。2013年5月14日，欧洲通信卫星-W3D由质子号火箭发射入轨，用于接替W3B卫星。发射失败除带来巨大直接经济损失外，也使欧洲通信卫星公司的卫星编队调整计划严重滞后[2]。

案例2：2011年8月18日，快讯-AM4通信卫星由质子M运载火箭发射升空，由于微风M上面级故障导致卫星未进入目标轨道。快讯-AM4卫星价值3.04亿美元，发射质量5775 kg，原计划定位于80°E轨位，主要用于提供数字电视服务，可覆盖俄罗斯全境及独联体国家，该计划是政府今后6年电视服务发展规划的重要组成部分。此次发射失败除带来经济损失、服务延后等影响外，废弃卫星也给GLONASS、GPS、Globalstar通信卫星和铱星星座在轨运行带来安全隐患[3]。

案例3：2014年8月22日，由联盟号运载火箭发射的2颗伽利略卫星未能成功进入目标轨道。伽利略系统是欧洲独立发展的全球导航卫星系统，用于提供高精度、高可靠的定位服务，计划由30颗卫星组成。此次发射的卫星每颗价值2800万欧元，是伽利略系统首批全面运行能力卫星。此前，由于发射场使用权和卫星研制进度等问题，这两颗卫星的发射时间已经被推迟了一年多，此次发射失败严重影响了伽利略导航系统建设进度[4]。

案例4：2015年5月16日，国际发射服务公司的俄制质子M运载火箭在拜科努尔发射场发射墨西哥星1通信卫星时，第3级火箭发生故障，星箭俱毁。墨西哥星1设计寿命15年，发射质量5325 kg，拟定位于113°W轨位，用于向墨西哥政府提供移动和固定通信服务，购买保险费用3.9亿美元。本次发射失败是质子号在2010年12月以来43次发射中的第8次事故，除影响后续发射保险费率以外，也使质子号在与猎鹰9和阿里安-5运载火箭的商业发射市场竞争中处于劣势[5]。

综合以上案例分析，卫星发射失败带来的影响主要有：

a）运载火箭、卫星、运营服务等直接经济损失；

b）卫星服务滞后产生附带经济损失；

c）卫星发射成功率降低导致卫星保险费率提高；

d）制造的轨道垃圾影响正常卫星在轨安全运行；

e）商业航天失利降低投资者信心从而影响卫星产业发展；

f）军用卫星失败威胁国家安全；

g）重大发射事故产生广泛的社会和政治影响。

2 快响应轨道救援系统方案设想

快响应轨道救援系统由运载平台、轨道机动级、救援飞行器和末端工具箱组成，如图3所示。

图3 轨道救援系统组成

运载平台和轨道机动级根据被救援对象的质量规模及轨道要求从现役成熟运载器中进行选择，通过现役运载火箭去任务化改造，统一构型，形成通用化、组合化、系列化的运载平台方案库，可扩大运载能力覆盖范围，满足不同的任务需求。运载器和轨道机动级将救援飞行器直接送入目标交会轨道，救援飞行器通过自主机动变轨实现对不同相位卫星的精确交会对接，通过不同的末端工具对卫星实施轨道救援，使卫星进入正确轨道或恢复功能。

按照传统卫星发射方式，运载火箭和救援飞行器需要定制，发射周期较长，使救援成本大幅升高。为提高救援系统的快速响应能力、降低救援系统研制成本、合理控制在轨救援风险，需要解决以下问题。

a）运载火箭去任务化，统一构型。

目前，中国长征系列运载火箭多采用定制化的研制生产管理模式，在研制之初运载火箭就与卫星任务关联绑定。传统的定制化模式可以适应各发次任务之间的差异性，并以定制化的方式实现火箭性能的优化，但是，从明确研制要求直至点火发射，运载火箭需要的研制周期约为20个月。面临高密度发射任务，定制化模式的弊端逐渐显现，主要表现在：整箭产品互换性差，面对计划调整等突发情况的快速响应能力不足，存在制约任务实施进度的风险；另外，已完成生产的火箭无法用于其他任务，存在已制品不得已只能长期贮存的情况[6]。面向快速救援任务，定制化模式更是难以满足多任务适配、快速响应及全年无间断值班等要求。

影响去任务化的一个关键因素是运载火箭构型多样，以长征三号甲系列运载火箭为例，参与发射的有 6个基本构型，分别是CZ-3A、CZ-3B标准型、CZ-3B/G1、CZ-3B/G2、CZ-3B/G3、CZ-3C标准型。由于火箭构型多且状态不统一，造成在火箭设计、生产、试验、发射等环节存在技术状态多、产品通用性和互换性差等问题[7]。

火箭构型多直接影响产品物资采购、生产状态及试验状态控制、产品测试发射等多个环节。运载火箭去任务化，精简状态，统一构型，有助于提高产品通用性及互换性，满足轨道救援多任务适配和快速响应要求。

b）救援飞行器柔性设计。

卫星研制成本高、周期长，除了航天产品固有的复杂性高、质量要求高等因素外，当前卫星大多面向特定任务设计和生产也是一个重要原因。中国卫星生产单位多采用共用平台和有效载荷的组合方式进行卫星设计，由于耦合度高，无法适应有任务的多样性，并且以平台为核心的设计模式、依靠实物试验的研制方式及串行工作的管理模式，逐渐不能适应卫星高性能、短周期、低成本的研制目标。

轨道救援飞行器的质量规模及功能指标与救援任务紧密相关，不同的救援任务对救援飞行器的在轨时间、轨道转移能力、探测能力、空间操作能力等主要功能要求不尽相同，为提高多任务适应能力和快速响应能力，救援飞行器需要采用柔性设计理念，将救援飞行器划分并设计出一系列功能模块，通过模块的选择和组合构成不同的救援飞行器来满足不同救援任务的需求。其软件采用开放式架构，解除卫星软硬件之间的紧耦合关系，针对不同在轨任务统筹星上计算资源，并上传不同的应用软件；模块化设计结合开放式自定义软件架构可实现救援飞行器结构快速组装、功能快速生成、整星快速测试，既能实现飞行器模块的小批量生产，又能满足飞行器功能定制和任务多样性的要求。

统一构型的运载火箭和轨道机动级以及模块化设计的救援飞行器和末端工具箱，形成救援方案库，可支持轨道救援系统定期在发射场值班，根据不同的救援任务需求快速组合搭建，提高系统的快响应能力。

c）捕获连接安全、可靠。

安全可靠是在轨救援开展的关键考核因素，救援飞行器对目标飞行器的捕获连接是任务的高风险阶段，因此在对目标卫星的接近与捕获阶段需要重点关注安全问题。

为实现对目标的快速救援，救援飞行器可以采用直接入轨方案，直接进入目标10 km附近轨道，通过探测系统捕获跟踪目标。在此过程中，由于存在入轨偏差，存在救援飞行器与目标飞行器碰撞的风险，需要根据运载火箭控制精度及测控站定轨精度选择合适的入轨点，同时救援飞行器在入轨分离前提前加电，也可以通过自身携带的传感器提供碰撞预警，降低风险。

针对在轨救援的空间捕获机构方案主要有3种：利用伸缩杆捕获目标卫星的发动机喷管；利用飞网或飞爪捕获目标卫星本体；利用机械臂（爪）捕获目标卫星的特定结构。其中利用飞网或飞爪捕获目标存在破环卫星本体的风险，因此仅适用于对失效卫星的辅助离轨；伸缩杆捕获机构针对卫星变轨发动机而设计，通过伸缩杆插入变轨发动机的喉部并锁定，实现对目标的捕获连接；通过机械臂捕获目标，被抓捕的部位选择相对灵活，可以是喷管、分离环或卫星表面其他部件。因此伸缩杆和机械臂（爪）都可以为在轨救援提供捕获连接机构的选择，每种类型的捕获连接机构适用的目标对象及可以开展的空间任务不同，需要根据具体救援需求进行选择，并根据目标的在轨状态确定任务安全等级，采用软件（碰撞预案）和硬件（多信息预警）等多种手段确保对目标的捕获连接安全、可靠。

3 基于多要素评估的快响应轨道救援流程

依托快响应轨道救援系统，可以快速开展空间救援任务，具体实施步骤如下：

a）救援系统战备值班。

进行去任务化改造后，运载火箭和轨道机动级的通用性和兼容性更强，针对轨道救援任务运载火箭和轨道机动级采用平时在发射场值班，值班周期结束后投入商业发射市场的策略，可以分摊任务成本；救援飞行器和末端工具箱采用标准化、模块化设计后，可实现货架产品小批量生产备货，进一步缩短任务响应时间。

b）分析卫星故障。

卫星故障模式对救援系统捕获方式、末端工具箱及轨道机动能力等方案的确定起着决定性的作用。不同故障模式对救援系统的需求包括功能辅助、轨道转移、在轨模块更换和在轨维修等，根据故障模式对救援需求的不同，进一步确定救援飞行器携带的功能载荷及在轨操作任务。综合已有案例对在轨卫星故障类型进行深入分析，对故障模式进行分类，在救援方案设计阶段可以指导救援系统设计，扩大救援能力包络。

在分析卫星故障的基础上，对不同任务救援时间约束、救援成本约束、救援目标特性（含当前轨道特性、目标外形与尺寸、目标故障原因及状态）、任务目标等进行分析和确认，根据多种约束条件确定合理的救援模式。

c）评估故障损失值。

从经济损失、产业影响、社会影响等多要素评估卫星故障损失，确定卫星故障的损失值；

卫星产业链包括卫星制造、发射、地面设备、保险、服务等，卫星能否正常交付并在轨运行除了带来直接的经济损失，也会对上下游产业链及社会、政治及军事等多方面产生较大影响，对卫星故障导致的经济损失、产业影响、社会影响等多要素进行综合评估，计算得出卫星故障的损失值，具体估值方法如下：

=（1+2+3）·（1+） （1）

式中1为直接经济损失，1=（卫星研制成本+发射费用+保险费用）×－保险赔付金额，其中，为损失比例系数，卫星全损不能提供服务时，=1，卫星提供部分服务或寿命缩短时0<<1；2为再发射费用，2=新研卫星研制成本/备份卫星成本+发射费用+保险费用；3为间接经济损失，3=卫星成本×发射失败导致的保险费率增高值+1时间内卫星服务产值，其中，1为从本次发射失败至重新发射一颗卫星所需的时间；为附带影响权重，=空间碎片带来的轨道安全影响因子1+航天技术发展滞后影响因子2+产业影响因子3+社会影响因子4，其中：0≤k≤1，=1，2，3，4。

d）提出救援方案。

根据被救援卫星的质量规模、轨道位置及转移需求，明确救援任务的运载能力需求，确定运载火箭和轨道机动级的选型；根据被救援卫星的目标特性、结构特征、维修需求等确认救援飞行器目标探测与识别能力、抓捕对接能力以及末端工具箱携带工具的类型，最终提出轨道救援方案。

e）评估救援代价值。

针对救援方案，从经济成本、时间成本、产业影响、社会影响等多要素进行综合评估，确定救援代价值。

救援代价除救援系统的直接经济成本外，还涉及任务响应时间成本、对技术进步的推动作用、附带的社会影响，具体任务还要考虑卫星属性带来的政治和军事影响等，对各影响要素进行评估，计算得出救援代价值，具体估值方法如下：

式中1为直接成本，1=救援系统研制成本+发射费用；2为2时间内卫星服务产值，2为从本次发射失败至完成在轨救援所需的时间；为附带影响权重，=轨道安全影响因子1+航天技术进步影响因子2+产业影响因子3+社会影响因子4，其中，0≤j≤1，=1，2，3，4。

f）评估性价比。

比较和，若不小于，则实施救援；若小于，则终止救援。

g）实施救援方案。

对救援任务从发射、轨道转移、在轨操作等全流程进行地面仿真，综合分析运载能力、测控资源、发射场任务情况等，确定发射场位置、发射窗口及任务所需的测控站。

分别开展运载火箭、轨道机动级、救援飞行器测试及部分工装的加工和生产，同步开展发射场及测控资源协调，测试完成后开展救援系统总装、总测，地面测控进行被救援卫星轨道跟踪、预报，射前准备完成后，执行发射任务。

h）评估救援效果。

根据具体救援任务执行情况确认轨道救援系统的直接经济成本，根据地面测控数据及卫星遥测数据确认救援任务实施效果。分别以季度、年度为节点跟踪卫星工作情况、救援任务带来的经济效益、社会效益及政治和军事影响等，分阶段评估救援任务实施效果。

本方法针对一般航天任务进行分析，当发射任务具有重要的军事或政治价值时，可跳过性价比评估过程，直接开展救援任务。

4 结束语

经统计分析，未进入预定轨道的发射事故在航天发射事故中占比接近50%，存在很大的救援空间，本文对典型航天事故影响进行分析，提出了卫星救援多要素估值评价方法，从经济成本、时间成本、产业影响、社会影响等多要素对卫星损失和救援代价进行综合评估，对救援任务实施的效费比给出了定量的评价，提供救援任务全流程规范指导，可有效提升轨道救援系统的快速响应能力。

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The Research on Fast Response to Orbit Rescue Method Based onMulti-Factor Evaluation

Chao Lu-jing, Zhang Yao-lei, Xie Ze-bing

(Research and Development Center, China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing, 100076）

In the past ten years, the success rate of global space launch activities has been maintained at over 90%, but launch failures are still difficult to avoid. As a result of space accidents, the development costs of space resources in various countries have increased significantly, constraining the sustainable development of the aerospace industry. In the aerospace launch accident, the proportion of launch accidents that do not enter the predetermined orbit is close to 50%. There is big market for rescue. The impact of typical space accidents is analyzed and a multi-element evaluation method is proposed for orbit rescue. Comprehensive assessment of the satellite loss and rescue costs from multiple factors such as economic cost, time cost, industry and social impact, providing guidance on the overall process of orbit rescue missions, it can effectively improve the rapid response capability of the orbit rescue system.

multi-factor assessment; orbit rescue; fast response; space accident

V57

A

1004-7182(2020)02-0028-05

10.7654/j.issn.1004-7182.20200206

晁鲁静（1985-），男，高级工程师，主要研究方向为空间飞行器总体技术。

张耀磊（1981-），男，研究员，主要研究方向为空天安全总体技术。

谢泽兵（1968-），男，研究员，主要研究方向为空天安全总体技术。

2018-05-09；

2020-02-20