美国太空高新装备的发展与前景展望

王友利 （北京航天长征科技信息研究所）

美国太空高新装备的发展与前景展望

王友利 （北京航天长征科技信息研究所）

Development and Prospect of U.S. Space New High-tech Device

太空是关系国家战略安全的高边疆。早在20世纪60年代初期，时任美国总统肯尼迪就公开宣称：“谁能控制太空，谁就能控制地球”。今天，太空的军事、政治、民用、商业价值愈发凸显，主要航天强国均大力发展空间装备，谋求更好地实现进入太空、利用太空、控制太空的目标。

作为美国从事国防技术预先研究的重要机构，国防高级研究计划局（DARPA）在太空领域开展了大量的技术探索，从之前的“轨道快车”（Orbital Express）、“系统分离模块航天器”（F6）项目、“猎鹰”（FALCON）计划，到现在的试验型太空飞机－1（XS－1）项目、“凤凰”（Phoenix）项目、“静止轨道卫星机器人服务”（RSGS）项目等，这些高新技术与装备的研发有力地支撑美军空间力量的转型发展，也预示着未来空间领域新的技术发展动向。

1 国防高级研究计划局在太空领域的发展构想

国防高级研究计划局成立于1958年，在美国国防部下属众多机构中具有独特的地位，它独立于各军种，主要责任是感知军方的未来需要，重点关注高风险、高回报、对各军种联合作战有巨大促进作用的、对推动军事发展有重大影响的技术领域，保持美国科技研发的战略领先地位。成立至今，国防高级研究计划局主持开展了人造卫星、导弹防御、隐身飞机、无人机、高超声速武器、因特网等对美军装备发展具有重大影响的预研项目，被誉为美国国防部的“技术引擎”。

创新性的太空系统一直是国防高级研究计划局关注的重点。它成立的初衷正是为了应对苏联发射首颗人造地球卫星对美国带来的冲击和挑战。确保美军在太空领域的优势地位，实现自由进出太空、创新太空操作和应用能力、保护美国太空系统的安全，始终被国防高级研究计划局列为一项重要任务。

随着各国航天力量的快速发展，国防高级研究计划局认为，美国当前的太空能力也面临着严峻的挑战，主要表现为当前航天发射的灵活性不足、卫星成本不断增长、空间态势感知能力不足。这些挑战将制约美国未来在太空领域的优势地位，对此，国防高级研究计划局有针对性地提出提升太空系统鲁棒性的发展构想。

美国太空力量的主要问题及未来的发展构想

2 国防高级研究计划局现阶段开展的典型太空高新项目

围绕上述构想，近年来，国防高级研究计划局在进入太空、在轨操作和空间态势感知领域开展多项创新性的研究项目，有力地推动太空高新技术的发展。

进入太空项目

（1）试验型太空飞机－1项目

2013年10月，国防高级研究计划局启动“试验型太空飞机”项目，接替空军继续研发火箭动力的可重复使用运载器，旨在进一步发展低成本、快速响应进入太空和全球到达的相关技术与操作。

试验型太空飞机－1项目将通过地面试验验证关键技术，随后制造一架验证机，针对以下目标开展飞行检验：①10天内执行10次飞行；②完成马赫数超过10的飞行；③将1.36～2.27t的近地轨道运输成本降至目前的1/10。该项目的一项关键目标是验证下一代高速飞行器的关键技术，支持新的军事用途，包括全球侦察、全球运输、小型快速响应进入太空和经济可承担的航天运输。预计，该项目的成果可能转移给空军、海军以及商业部门。

国防高级研究计划局近年开展的典型太空高新项目

这一项目分为3个阶段。第1阶段主要完成飞行器的方案设计，共有3个团队参与：诺格公司与维珍银河公司的合作团队、波音公司与蓝色起源公司的合作团队以及XCOR航空航天与麦斯登太空系统公司的合作团队，各家计划在2016年7月22日提交最终设计方案。

第2、3阶段将完成飞行器的详细设计、制造和飞行试验，验证全尺寸的重复使用样机，至少将400kg的载荷送入轨道。国防高级研究计划局计划在2017年完成飞行器设计制造，2018年实现首飞，并针对项目各个目标提出了具体的性能指标和最低要求。

（2）“空中发射辅助太空进入”项目

“空中发射辅助太空进入”项目是国防高级研究计划局提出的空中发射小运载方案，旨在发展快速、低成本、高可靠性的近地轨道运输能力，项目有4个主要目标：

一是更加经济地进入太空。将单次发射成本控制在100万美元（包含发射场费用）以下。

二是提高快速响应进入太空能力。将从下达指令到发射的时间缩短到1天。

三是摆脱固定发射场的条件约束。利用空基发射的特点和快速任务规划工具，能够更加灵活地选择发射方向和地点。

四是显示系统的弹性。“空中发射辅助太空进入”项目计划验证在12h内从一个机场转移到另一个机场执行发射操作的能力，主要应对初始机场因某些因素（如天气）变得不可用的情况。

试验型太空飞机－1项目的性能指标和最低要求

“空中发射辅助太空进入”系统采用空军的F－15编队发射，最大程度地利用载机的能力。国防高级研究计划局期望将项目成果转移给空军。

据2015年12月的报道，由于火箭燃料试验中出现安全性问题，国防高级研究计划局取消原计划在2016年开展的飞行试验。2016年，“空中发射辅助太空进入”项目主要评估备选的推进剂和发射系统。

火箭设计采用氮-氧化物-乙炔多组元推进剂，与传统的将燃料和氧化剂分离的方案相比，可使推进系统更小、价格更低。但试验表明多组元推进剂并不稳定、存在危险。另外，商业运载火箭供应商在低成本进入空间领域的快速发展，也促使国防高级研究计划局做出中止项目的决定。

在轨操作项目

（1）“凤凰”项目

“凤凰”项目旨在验证地球静止轨道的机器人在轨服务技术和卫星重构技术，实现更加灵活、更具效费比的太空操作，以更低的成本制造新的太空系统。在设想的试验计划中，“凤凰”计划将使用在轨操作机器人将位于废弃轨道或已退役的卫星上的天线设备拆卸下来，并以此为基础建造一个新的太空通信系统，更为经济地为作战人员提供全天候、全球持续的通信能力。

“凤凰”演示验证系统主要由三部分构成：服务星、细胞星和高轨载荷输送系统。

1）服务星。安装有多个机械臂的高轨服务机器人，具备高度的自主控制能力和远程遥控能力。服务星能够抓捕装载细胞星的高轨载荷输送系统和失效卫星，拆解失效卫星的有用部件，安装细胞星，组装成一颗新卫星，并带着新卫星进行轨道转移。此外，服务星还能抵近故障航天器拍摄高清图片，捕获航天器协助其变轨，辅助故障航天器执行任务。

2）细胞星。高度集成的模块化卫星，单颗细胞星具有特定的卫星分系统或部件级功能，如姿态控制、射频转发等。单颗细胞星具有相同的构型，可根据任务需求像搭积木一样组装成具有特定的一种或多种功能的细胞星。细胞星技术的发展将创造一种新的卫星形态，实现卫星的在轨制造，将成本降低10倍。目前，细胞星技术基本成熟，将首先在近地轨道开展演示验证。

3）高轨载荷输送系统。该系统负责运送细胞星及相关在轨操作工具，通常通过有效载荷寄宿的方式，由商业通信卫星携带至地球静止轨道。高轨载荷输送系统旨在充分利用现有的商业发射市场，实现“太空快递”，提高将小质量的载荷送往静止轨道的频率。

“凤凰”项目的潜在用户是美国空军和商业卫星服务商。项目第一阶段研究工作已取得显著成果，验证了机器人工具和装配技术的可行性，验证了基于细胞星制造新卫星的方案。后续，国防高级研究计划局希望联合商业公司和政府共同投资支撑项目的在轨演示验证。2017财年，国防高级研究计划局计划针对细胞星开展轨道低地球轨道（LEO）试验。

（2）“静止轨道卫星机器人服务”项目

为进一步推动地球静止轨道的机器人自主服务能力的发展，国防高级研究计划局新近提出“静止轨道卫星机器人服务”项目，作为“凤凰”项目的衍生产物，寻求与现有的卫星运营商合作，携带充足的燃料开展为期数年的高轨服务验证。

2016年5月，国防高级研究计划局启动“静止轨道卫星机器人服务”项目招标工作，招标商业公司研制并运行能够执行空间服务操作的自主服务航天器（RSV）平台，国防高级研究计划局将主要研制自主服务航天器的机器人有效载荷，美国海军试验室则协助平台与有效载荷的集成以及主要的技术接口。该项目计划于2020－2021年开展自主服务航天器的在轨飞行试验。

“静止轨道卫星机器人服务”项目计划执行政府演示任务和商业服务任务。国防高级研究计划局希望通过该项目实现的服务任务包括：

1）检查。合作式诊断、检查功能异常的地球静止轨道航天器。

2）维修。太阳电池阵、天线展开故障等机械异常维修。

3）转移。协助轨道机动，包括将客户航天器转移至新的工作轨道或送至处理轨道、辅助性能差的推进系统、短期延长航天器寿命等。

4）升级。为运行的合作航天器安装升级包，提供新功能。

空间态势感知项目

（1）“太空监视望远镜”

“太空监视望远镜”是一种先进的地基光学搜索跟踪望远镜，拥有3.5m的大孔径、采用弯曲焦平面阵列探测器技术来提供快速的广域搜索覆盖。与传统地基监视望远镜相比，太空监视望远镜的探测灵敏度和覆盖率提高一个数量级，只需几秒钟就可搜索与美国本土面积近似的空间区域；在夜间，太空监视望远镜可对1/4的GEO轨道区域进行多次勘查，数据采集速度可提高10倍以上，是目前全球最大、灵敏度最高的单孔径望远镜。

2012年，国防高级研究计划局完成对“太空监视望远镜”的测试和评估，之后，国防高级研究计划局直接与空军航天司令部（AFSPC）合作开展对其军用有效性评估研究。太空监视望远镜现已交付空军航天司令部。近期，空军航天司令部宣布已与澳大利亚政府合作，计划将太空监视望远镜部属到澳大利亚，由双方联合运行；美国、澳大利亚正在开展新站点的建设工作。部署完成后，该望远镜能够观测目前无法监视的目标和轨道。太空监视望远镜将把观测的信息传送给美国的太空监视网络，该网络负责观测并编目空间目标，并辨识近期可能威胁在轨目标的潜在太空碰撞。太空监视望远镜还将继续为美国航空航天局（NASA）和科学团体提供瞬时的监视数据，例如探索超新星，以及近地小行星的潜在威胁。

（2）“轨道展望”项目

“轨道展望”项目旨在验证一种更具效费比的方法，提高太空态势感知信息的数量和质量；项目将寻求充分利用各种可行的、低成本的设施来提高对太空目标的覆盖范围和持续跟踪能力，而不是建造更多的专有设备。

当前，美国太空态势感知系统主要采用政府发展的专有传感器，在现有体系下要提高太空态势感知的范围和精度，必然导致高额的成本。

“轨道展望”项目将寻求从一些新的渠道获取太空监视数据，这些渠道包括：商业的跟踪监测设备、高校的监测设备，以及一些国际伙伴提供的太空数据。“轨道展望”项目将建立相应的流程来检验信息的可靠性和数据质量；并发展信息描述技术、信息展示技术和预警技术，为作战人员提供关键的太空信息。

3 国防高级研究计划局太空高新技术的前景展望

国防高级研究计划局太空高新项目的发展将引领未来太空技术的发展方向，提升未来美国太空系统的鲁棒性。

通过发展快速响应进入空间和重复使用天地往返技术，国防高级研究计划局计划实现更为便捷、高效、低成本的航天运输能力。未来，国防高级研究计划局计划打造类似当前“民用航空”的“民用航天运输”产业，真正将太空旅行变得经济、可行；同时支撑美国进一步开展深空探测任务，并在其他星球上建设基础设施，实现国家战略和利益的拓展。

以发展实时的空间态势感知能力为目标，未来,国防高级研究计划局还将完成实时的空间信息融合、获取不同来源的数据、采用自动算法为具体任务提供决策辅助、开发3D可视化的操作平台，最终打造出类似当前“航空交通管制”的“太空交通管制”系统，为决策者提供实时了解、评估太空环境的重要工具。通过有效管理，应对未来在轨卫星数量日益增多带来的问题，保障太空系统的安全；同时也为未来的航天发射任务，太空操作、维护任务提供更加全面的信息支持。

空间机器人技术在未来的在轨服务中有着巨大的应用前景，将进一步增强美国推动空间系统体系结构转型的信心。国防高级研究计划局计划首先实现GEO轨道的空间机器人自主操作能力，进而联合商业合作伙伴拓展空间机器人的服务应用范围，实现自主的、按计划的燃料补给，发展出从低地球轨道到地球静止轨道的空间拖船；并带动小型化、模块化航天器技术的发展，降低空间系统的冗余度、减轻发射质量，开展在轨装配测试，为最终大型航天器、结构件、乃至空间基地的在轨制造、集成铺平道路，实现太空系统体系结构的转型。

4 结束语

国防高级研究计划局的使命是通过具有前瞻性的关键科技研发和创新来保持美国军队在军事技术方面的领先地位，使美国免遭技术突袭，同时谋求压制敌方的技术优势。

在太空领域，国防高级研究计划局敏锐感知未来太空攻防作战的需求，启动一系列具有创新性的研究项目，有力地支撑了美国未来太空力量的转型发展。这种以需求为导向，以技术为支撑，以创新为目标的预研发展模式是国防高级研究计划局成功的关键，值得我们很好地借鉴和思考。

创新项目的实现离不开长期的技术积累和继承。50年来，国防高级研究计划局开展了大量的太空预研项目，从中获得的技术成果和研究经验为后续项目的研发奠定了坚实的基础。以“凤凰”项目为例，国防高级研究计划局在2007年便通过“轨道快车”计划验证了对近地轨道目标的自主接近、捕获技术；此外，国防高级研究计划局还在通用轨道修正航天器（FREND）项目下重点研究用于空间机器人的机械臂技术。这些项目的技术积累促成“凤凰”项目的顺利实施。

太空项目存在着高风险、高成本的特点，一直以来，美国十分注重在太空领域的军民式融合发展，利用民用、商业资源为太空军事装备的发展服务，同时积极推动太空军事技术向民用、商业领域转化，提升经济利益和社会效益。在当前和未来的太空军事装备预研方面，军民融合已经成为一个重要趋势。在“轨道展望”项目中，国防高级研究计划局开始研究如何集成商业类和科研类的态势感知设备，构建更加完善的态势感知网络。在“凤凰”项目中，国防高级研究计划局计划借助卫星运营商的力量，开展在轨测试。在未来太空领域的发展畅想中，国防高级研究计划局已经考虑将军事太空高新技术应用到民用和商业领域，真正实现“以民助军、以军带民”的良性互动发展机制。