模块化航天器应用需求及应用体系

李新洪, 张永乐, 姜 南

(1.装备学院航天装备系,北京101416; 2.装备学院光电装备系,北京101416; 3.控制工程研究所,北京100086)

模块化航天器应用需求及应用体系

李新洪1, 张永乐2, 姜 南3

(1.装备学院航天装备系,北京101416; 2.装备学院光电装备系,北京101416; 3.控制工程研究所,北京100086)

介绍了模块化航天器的概念,从空间在轨操作和快速响应两个层面分析了模块化航天器的最新技术进展,分析并提出了模块化航天器“以客户应用为核心”的应用体系。

航天器模块;在轨服务;快速响应

随着航天技术的快速发展,航天器模块化的趋势日益明显。利用模块化航天器进行在轨组装、在轨更换、在轨维修、在轨升级,进而提高航天器性能、延长航天器寿命已经成为空间在轨服务研究的热点;同时,利用仓储的模块化航天器实现军用战术型航天器的快速集成、快速测试,已经成为航天器快速响应的核心技术。在此背景下,模块化航天器的设计及应用问题,已经越来越多地被国内外学者所关注。

1 模块化航天器的应用需求

航天器模块化设计的思想由来已久,最理想的状态是航天器完全由几个结构上相对独立的典型功能模块组合而成,这就是“组合式航天器”的概念。从20世纪70年代开始,由NASA戈达德航天中心(Goddard Space Flight Center)提出并开始研究多任务模块化的航天器(multi-mission modular spacecraft,MMS),如图1所示。在其设计方案中,由推进、电源、姿态控制、数据处理以及其他相对独立的子系统模块来组成卫星。这些模块功能相互独立,可以通过组合实现一个航天器的基本功能。

图1 MMS航天器结构

尽管这种模块化航天器的设计理念有其特有的先进性,但是因为当时模块标准化水平和技术成熟度的限制,在缺少明确应用需求和完善的应用体系支持的情况下,模块化航天器这一先进理念并没有得到有效的发展。近些年,随着小卫星技术突飞猛进的发展和航天产品模块化、标准化、系列化的不断推进,设计和制造模块化航天器的技术障碍已经不复存在。随着空间技术向空间在轨操作和快速响应领域的扩展,模块化航天器的应用需求逐渐明确,同时其应用体系的轮廓日益突显。

1.1 空间在轨操作对航天器模块的应用要求

近年来,随着空间机器人技术、航天器自主交会对接技术、航天器编队飞行技术的快速发展,空间在轨操作中利用空间机器人实施在轨模块更换和在轨模块组装的应用前景日益明朗,也越来越受到世界各国的重视。

2007年,美国国防部高级研究计划署(Defense Advanced Resenrch Projects Agency, DARPA)成功演示验证了“轨道快车”计划,验证了在轨模块更换和在轨燃料加注技术。首次全自主地实现了星载计算机模块和电源模块的更换。轨道快车项目从技术上验证了在轨模块更换的可行性。轨道快车计划之后,DARPA启动了“凤凰计划”,通过灵巧机械臂对废弃卫星上的天线进行拆除,并利用模块化的卫星组件与拆下的天线在轨组装,构成新的通信卫星系统,将模块化卫星的应用带入了全新的领域。轨道快车和凤凰计划是有线连接的模块化设计理念。DARPA提出的F6(future、fast、flexible、fractionated、free-flying spacecraft)计划,则是航天器无线模块化理念的有效体现。

“轨道快车”及“凤凰计划”可以看出,未来空间操控对航天器模块的应用需求主要体现在以下几个方面：

第一,从费效比角度看,如果仅仅为了实施单一的模块更换或者燃料加注,就专门发射一个功能复杂的空间操作机器人,显然是得不偿失的。为此,空间机器人入轨后,应该满足执行多次和多类任务的需要。空间在轨操作需要大量的备品、备件和操作工具。为了降低空间操作任务的复杂度,各类备品、备件必须采用标准化、模块化的设计。如果在轨可更换模块没有标准化的结构设计和通用性的模块间接口,则空间操作的可更换能力和可扩展能力将大打折扣。

第二,在传统的卫星设计中,卫星的各个子系统都在封闭结构内,当子系统出现故障的时候,封闭的结构设计使在轨组装和维修工作无法实施。因此,为了空间操作和空间维修任务适用于更多的航天器,被服务航天器必须采用模块化的结构设计,使得各子系统从结构上相对独立,才能保障对出现故障的模块进行有效的更换。但是,相对独立的结构设计,给整个系统的机、电、热、液设计带来了全新的挑战。除了在结构上实现模块化封装外,热控、气液传输、电信号传输、功率分配等都要有效地实现跨模块设计。

第三,实施模块化的在轨操作,仅从结构上完成模块的连接和固定是不够的,系统要能识别新加入的模块,可以获得对该模块的控制权。需要有一整套的软硬件标准保障模块之间的自识别、自组织,实现模块的即插即用。

1.2 快速响应对模块化航天器的应用需求

传统的卫星军事应用模式侧重于战略层面,而现代战争存在很大的突发性,其作战对象、作战区域、作战时间很难在战前提前确定。通常,卫星的能力和轨道在设计阶段就已经确定,到战争爆发时其能力无法与作战方案有效匹配,造成了卫星能力与作战需求脱节。

近年来,在快速响应空间理念的推动下,国外基于模块化航天器设计理念,尝试利用仓储化的模块,紧密贴合作战计划,借助快速设计工具,在短时间内按需组装卫星,快速完成测试,在短时间内形成作战能力。

在快速响应理念的驱动下,更多模块化航天器的设计方案走入人们的视野。有影响的项目包括：DARPA和Aero/Astro公司合作的SCOUT (small,smart spacecraft for observation and utility tasks),美国空军实验室和Aero/Astro公司合作的FEBSS(the flexible and extensible bus for small satellite),Aero/Astro公司的SMARTBus计划等。

基于模块化的设计理念,作战指挥官可以根据作战任务的需要“定制”出最符合自己任务要求的航天器。例如,任务要求轨道机动能力强,组装时可以选择轨道机动能力强的推进模块;任务要求载荷功率高,组装时可以选择功率高的电源模块。如图2所示,因为采用了标准化、模块化、系列化的设计,可以像搭积木一样,从仓储化的航天器分系统模块库中进行选择,快速组装出满足任务需求的卫星。

图2 利用模块组建快速响应航天器

因此,无论是空间操作还是快速响应对模块化航天器的应用需求主要体现在以下几方面：①贴合任务的需要。为了满足突发性关键任务的需要,利用模块组合方式灵活多变的特点,可以选择任务贴合度高的载荷模块,进而针对任务和载荷需求搭建卫星平台,达到为任务定制卫星的效果。②快速响应的需要。利用半成品的仓储模块,在软硬件系统的支持下,将卫星设计、集成、测试时间压缩到几天,在特别紧急的情况下甚至可以通过空间组装获得几小时内的快速响应。这对于整个航天体系中关键节点能力的恢复和增强具有特别重要的意义。③ 提升费效比的需要。模块化航天器使部件的在轨维修成为可能,空间不再是“轮胎漏气了,就得扔掉整辆汽车”。模块化更适合批量制造和产业分工细化,最终会促成模块制造成本的降低。模块化的仓储,有效地保障了短时间内,快速提升和恢复空间能力,降低了平时对在轨卫星数量的要求。

2 模块化航天器的应用体系

从模块化航天器的应用需求可以看出,模块化航天器的应用使得整个的应用体系逐渐从“设计制造为核心”向“客户应用为核心”的模式转变。“客户应用为核心”的理念类似于“宜家家居”的模式。在宜家模式中,宜家不是提供固化且定型的产品,而是提供一种半成品,将产品的最后一个组装环节交给消费者完成。宜家的所有产品都是标准构件,这种标准化的平板构件,在运输的过程中可以整体打包,到家之后,用户仅凭一把螺丝刀就能像搭积木一样完成全部的产品的安装。

在“客户应用为核心”的卫星应用理念中,卫星设计制造部门的核心任务是设计和制造模块化的卫星组件。模块化的卫星组件采用标准化的星上电子系统和结构设计,可以快速地完成卫星的快速集成和测试。这种“客户应用为核心”的卫星应用模式与传统的卫星应用存在较大的差别。

如图3所示,从全寿命的角度分析模块化航天器的应用环节可以分为地面集成过程、搭载发射过程、空间应用过程3个阶段。

图3 模块化航天器的应用体系

2.1 地面集成阶段

地面集成阶段主要是完成任务分析和模块集成。任务分析是按照任务目标,选择合理的载荷,根据载荷对卫星平台姿态稳定度、功率、轨道机动能力、通信带宽、存储容量等需求,在模块库中进行选择,快速产生出满足任务需求的航天器模块化组成方案。然后根据方案在仓储的模块库中选择模块进行配置和快速组装。根据任务的需要,模块之间的组合方式既可以是无线方式,也可以是有线连接的方式。模块化无线封装方式将1颗卫星的功能封装在几个结构独立的子系统模块中,这些模块之间通过无线通信的方式进行信息交互,协同工作,可以获得很多常规航天器所不具备的优势。模块化无线封装方式最典型的代表就是美国的“F6计划”。当模块之间采用有线连接方式时,各个模块主要采用即插即用型封装模式。在该模式下,各个模块能够利用即插即用技术快速实现模块的自识别和自组织,自动地组成功能完善的航天器系统。在这2类模式的支持下,短短的几天内就能完成航天器的集成和测试。地面集成阶段需要一套综合性的支撑环境。图4显示了美国军方搭建的综合性支撑环境[1]。

图4 模块化即插即用卫星集成和测试阶段综合性支撑环境

图4 中,设计人员利用卫星设计工具,将卫星应用需求快速转换成卫星的技术需求,基于已有的模块,设计人员利用计算机辅助设计技术,完成模块化航天器的快速设计,并对卫星的结构、热控和姿轨控能力进行分析[2]。设计结果以电子化数据表单的方式提供。设计完成后,依据设计结果,在组建库中选择对应的组件,进行快速集成、快速组装和测试。卫星集成后可与地面站软件联试,对卫星的整个任务过程进行模拟仿真。

2.2 搭载发射阶段

模块化航天器及其可更换模块都存在快速进入空间、批量进入空间和隐蔽进入空间的需求。卫星发射任务中,运载火箭除了发射主卫星外,往往还具备搭载发射小卫星的能力。为支持模块化航天器的应用,需要对运载火箭适配器进行必要的改造,使运载火箭除发射主卫星外具备搭载小卫星和各类可更换模块的能力。通过一箭多星多模块的方式将多个航天器或者模块送入空间轨道[3]。图5显示了近些年来美国进行多星多模块发射所采用的几种运载火箭适配器。其中最有代表性的是美国空军的EELV次级有效载荷适配器(EELV secondary payload adapter,ESPA), NASA的多样有效载荷释放器(multiple payload ejector,MPE),以及SAT公司的搭载适配器(ride share adapter,RSA)。3种运载火箭适配器具备搭载小卫星、三级有效载荷或者小卫星的能力,相同之处在于都建立在标准的硬件基础之上,标准化接口和整合步骤可以使每次发射的运载能力得到充分发挥,且不会对主载荷带来不利影响。

图5 用于多星/多模块发射的运载火箭适配器

这几类运载火箭适配器的具体能力对比见表1。

表1 3类运载火箭适配器的能力对比

运载火箭适配器并非仅在火箭发射阶段发挥作用。当采用“先运载,后主卫星”的分离策略时,运载分离后,作为从属载荷的小卫星/模块可以长期搭载在主卫星上。例如,美国曾提出了利用ESPA构造航天母星(SatCarrier)的方案。1个ESPA可以携带6颗小卫星(每颗质量不超过180 kg),携带2个ESPA的航天母星就可以携带12颗小卫星,如图6所示。

图6 利用ESPA构造的航天母星

当采用“先主卫星,后运载”的分离策略时,主星分离后,运载火箭上面级同样可以携带多颗小卫星/模块在轨运行。以美国发射的Mitex(micro-satellite technology experiment)任务为例[5],通过对火箭上面级安装姿态确定系统和多次点火的推力器,利用运载火箭上面级可以携带卫星/模块长期在轨,当任务需要时,利用上面级的轨道机动能力可以将对应的卫星/模块部署到所需要的任务轨道。

通过搭载发射,在平常发射任务中就可以充分利用多余的运载能力将各类模块送入轨道,完成模块的在轨储备。

对于模块而言,因其功能差异大、体积小,为了有效利用运载火箭适配器的能力,往往将多个模块封装在一个载荷轨道交付系统(payload orbital delivery system,PODS)中,由载荷轨道交付系统完成相关模块的释放[6]。

2.3 空间应用阶段

空间应用阶段主要是利用送入轨道的卫星/模块进行空间系统的组建、维修和重构。操作的过程需要通过空间机器人或者航天员的参与完成。

当执行空间操作和空间维修时,由空间机器人在轨抓取卫星模块PODS,进行在轨操作和在轨组装。其典型的应用过程与美国“凤凰计划”所示的过程类似[7]。图7显示了“凤凰计划”中空间机器人实施在轨操作的基本过程。

图7 “凤凰计划”中空间机器人实施在轨操作

更复杂的空间操作任务可以在大型空间操作平台或空间站上实行。大型空间平台结构庞大、模块存储量大,能够接受航天员的入住管理。航天员在空间站中可以根据任务的需要在空间站内组装模块,实现模块的安装集成和测试。如图8显示,集成好的模块送出空间站,由舱外机械臂及操作平台执行释放任务[8]。

图8 空间站释放模块过程

3 结束语

模块化载荷和平台组件,是未来实现空间操作的基石,通过不同的模块配置与组合可以实现功能的定制。各类模块从集成测试、搭载发射、在轨储备、在轨释放、捕获操作到维修组装构成了完整的应用体系。该应用体系中除了包括模块化的被服务卫星和各类可更换模块外,还包括“有效载荷轨道交付系统”(payload orbital delivery system,PODS)、“工程卫星”(空间机器人)等一系列航天器。模块化航天器的设计不再是设计单一的航天器,而是要立足于整个空间操作体系,从顶层规划好整个航天器模块的划分、设计和工程实现。离开体系层面的设计,仅仅分析模块化航天器的设计没有任何意义。模块化航天器具有广泛的应用空间,全新的应用理念将会大大促进快速响应航天器和空间在轨操作技术的进步,对于拓展航天应用,促进航天产业结构调整和升级具有重大意义。

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[6]LYKE J,LANZA D,BYERS W.Space plug-and-play avionics[C]//CA.3rd Responsive Space Conference.Los Angeles：CA,2005：351-354.

[7]LISA A.Assembly,integration,and test methods for operationally responsive space satellites[D].United States：Air U-niversity,2010：45-56.

[8]MARTIN,M.Space plug-and-play avionics(SPA)standards [C]//AIAA.AIAA Small Satellite Conference.Logan, Utah：AIAA,2008：32-35.

(编辑：田丽韫)

Modular Spacecraft Application Requirements and Application System

LI Xinhong1, ZHANG Yongle2, JIANG Nan3

(1.Department of Space Equipment,Equipment Academy,Beijing 101416,China; 2.Department of Optical and Electrical Equipment,Equipment Academy,Beijing 101416,China; 3.Instiute of Control Engineering,Beijing 100086,China)

This paper introduces the concept of modular spacecraft,then analyzes the latest progress on space operations and rapid response.On basis of this,the paper analyzes the requirements of the modular spacecraft,and proposes a modular spacecraft applications system.

spacecraft module;on-orbit service;rapid response

V 441.6

2095-3828(2014)04-0070-05

ADOI10.3783/j.issn.2095-3828.2014.04.016

2014-03-05

部委级资助项目

李新洪(1972-),男,教授,博士.主要研究方向：航天器应用与模拟.13366159269@189.cn.