模塊化可重構航天器將成為航天器發展新方向

賈平（中國航天系統科學與工程研究院）

2018年12月，由美國國防高級研究計劃局（DARPA）“鳳凰”（Phoenix）項目支持諾瓦沃克斯公司（NovaWurks）研制的“細胞衛星集成技術試驗”（eXCITe）衛星搭乘獵鷹－9（Falcon－9）火箭發射進入太陽同步軌道，以在軌驗證“細胞衛星”（Satlets）模塊化可重構平臺兼容有效載荷的能力。此次試驗將推動模塊化可重構航天器加速邁向工程應用。模塊化可重構航天器可快速裝配、在軌重組構型和功能，將成為未來航天器發展的新方向，并用于快速響應作戰需求。

1 模塊化可重構航天器基本情況

模塊化可重構航天器是平臺由多個外形尺寸相同、可被替換的模塊按任務需求組裝而成的航天器，可在軌重新組裝平臺，改變構型和能力，以支持不同功能和性能的有效載荷。每個模塊集通信、控制、驅動和傳動功能于一體，具有一種或多種平臺子系統功能，可批量重復生產。“可重構”是指個別模塊可拆卸更換，整個平臺也能完全拆解重組，且更換或重組后硬件和軟件能正常連接/聯接。模塊化可重構航天器具有傳統模塊化航天器不具有的優點：模塊構型相同、通用性和互換性強，因而廢舊航天器模塊可被重新利用；可擴展性強，可通過增加模塊增強性能；靈活性好，可隨時拆解和組裝，實現按需求調整構型和功能，升級和維修更便捷。

模塊化可重構航天器有以下幾種裝配和部署方式。一是在地面裝配后再寄宿在其他大型航天器上入軌并彈射部署；二是模塊被發射至“國際空間站”，由航天員裝配成航天器再釋放部署；三是模塊被發射入軌后由太空機器人裝配并部署。隨著自主技術等的發展，未來還可能實現不依賴外力，由各模塊自主機動對接裝配而成。

模塊化可重構航天器的關鍵技術包括模塊間的標準化接口設計；用于構型和功能變換的智能控制技術；多模塊間通信、協同運動規劃和控制等。

2 模塊化可重構航天器發展情況

從21世紀初開始，美國、德國等開展了多項模塊化可重構航天器研究，例如DARPA曾于2006年啟動“具有快速、靈活、可分開和編隊飛行能力的未來航天器計劃”（簡稱F6，2013年已取消）。近年，DARPA資助的“鳳凰”和德國航空航天中心（DLR）資助的“用于在軌衛星服務和裝配的智能建造模塊”（iBOSS）項目已開展或即將開展關鍵技術在軌驗證。目前，這些研究主要在地面或利用太空機器人在軌裝配模塊，多數處于概念和關鍵技術研究階段。隨著自主技術、微納衛星精確交會對接等技術的發展，模塊自主對接裝配將成為模塊化可重構航天器的最先進裝配形式。

“鳳凰”項目開展概念和關鍵技術在軌驗證

DARPA從2011年開始通過“鳳凰”項目資助諾瓦沃克斯公司研究利用“細胞衛星”裝配成“細胞衛星”模塊化可重構航天器，這種航天器平臺由多顆外形和尺寸相似的“細胞衛星”聚合體靈活按需組裝而成。“細胞衛星”聚合體有2種，一種具有單一子系統功能，由多顆具有單一部件功能的“細胞衛星”基礎模塊組成，例如姿態確定與控制“細胞衛星”聚合體，由姿態傳感器基礎模塊和姿態執行器基礎模塊組成；另一種具有全部子系統功能，由多顆同時具有2種或2種以上子系統功能的“細胞衛星”基礎模塊組成。聚合體數量越多，平臺系統功能越強。目前，參與試驗的聚合體“高度集成衛星”（HISat）屬于第二種，尺寸在納衛星級別。“細胞衛星”模塊化可重構航天器可在地面裝配，也可在空間站由航天員裝配，未來還可由太空機器人在軌裝配。為驗證“細胞衛星”集成技術的可行性。

2015年底至2017年，航天員在“國際空間站”上手動組裝了由6顆“高度集成衛星”和有效載荷構成的衛星，并于2017年釋放進行在軌測試。2018年3月，由4顆“高度集成衛星”構成的“有效載荷在軌交付衛星”（PODSat）寄宿在一顆通信衛星上發射入軌，隨后在188km×22250km軌道被釋放部署，驗證“細胞衛星”架構容納新補充“細胞衛星”硬件的可行性，并提供試驗數據。2018年12月，由14顆“高度集成衛星”構成的“細胞衛星集成技術試驗”衛星進入太陽同步軌道開展第3次在軌驗證試驗。此次試驗衛星的聚合體數量為歷次試驗最多，平臺質量155kg。

德國iBOSS 項目即將開展在軌驗證

德國航空航天中心于2010年開始資助iBOSS項目，擬研究利用太空機器人將“智能模塊”立方體裝配成模塊化可重構航天器。模塊邊長40cm，內部可容納幾乎所有平臺子系統，3～6個面裝有力、熱、電和數據傳輸四合一接口，用于模塊間連接以及模塊與其他部件、子系統、航天器連接。該項目計劃2018年完成關鍵技術地面驗證（至今未見已完成消息），計劃2020年進行首次在軌驗證。

美國開始探索不依賴外力的模塊自主對接裝配概念

近年，美國多家公司陸續提出利用多顆具有較強自主能力的模塊/小衛星以在軌交會、逼近、對接方式裝配成航天器的概念，但大多處于概念設計階段。DARPA資助的“太空光學孔徑自組裝”（OASIS）項目計劃研究通過小模塊自主交會對接后裝配成孔徑大于5m的空間光學望遠鏡。重點研究標準模塊精確機械裝配、多目標交會對接，以及模塊組件和系統自我測量校準位置和裝配精度的技術。2016年，OASIS完成系統需求和初步設計評審，此后DARPA停止為該項目申請預算。2018年2月，美國航空航天公司（The Aerospace Corp）宣布正在通過“蜂巢”（Hive）項目研究利用智能單元模塊按需在軌自組裝成多種航天器平臺的可行性。模塊可能被做成立方體或蜂巢式的環狀，可執行翻滾、跳躍、換位、爬升等動作，便于相互對接。在軌交會對接后連接鎖定成航天器平臺，運行時可互相傳遞電力、數據，并進行熱傳導。2018年3月，美國國家航空航天局（NASA）資助系繩無限公司（Tethers Unlimite）開展“制造者衛星”（MakerSat）項目，以驗證小衛星在軌自主對接裝配成大型航天器的可行性。

基于iBOSS項目在軌服務太空機器人和被服務航天器概念圖

“蜂巢”模塊自主對接裝配概念圖

3 幾點思考

與傳統航天器相比，模塊化可重構航天器在設計、制造、部署和使用方式等方面都更具優勢，將成為更快速、靈活、可靠和低成本響應作戰需求，增強航天系統抗毀性的新型航天器。

模塊化可重構某種程度上將變革航天器設計、制造、部署和使用方式

模塊化可重構航天器具有如下優勢：通過利用模塊搭建平臺，可靈活、快速地實現客戶和任務定制；通過批量制造、在軌組裝、替換、重構、重復利用模塊，極大降低衛星制造、部署、維修、維護和升級成本，縮短部署周期；通過分批發射模塊在軌裝配，不受火箭整流罩尺寸和運載能力等對航天器的限制，催生超大型高性能航天器；廢舊航天器模塊被重復利用后，避免成為太空碎片。因此，在某種程度上，模塊化可重構航天器被視為變革航天器設計、制造、部署和使用方式的新一代航天器。此外，其裝配方式將由地面裝配、航天員裝配向太空機器人裝配，再到模塊自主對接裝配方向發展，能進一步提升航天器部署、維修和升級速度，并節約建造機器人的成本。

模塊化可重構航天器能快速、靈活響應作戰任務

傳統航天器設計、制造和部署周期長，即使采用模塊化設計，通常只能實現在地面快速制造，部署周期仍較長，且無法按需重構和升級。航天器模塊可通過搭載其他發射任務，在和平時期送入軌道儲備；戰時，可根據不同作戰任務需求，選取在軌儲備的模塊定制成航天器，快速形成作戰能力；也可根據任務變化重構或升級航天器，靈活、快速滿足新任務需求。

模塊化可重構有助于增強航天系統抗毀性

一方面，可自行組裝和分解的航天器在遭遇太空碎片或來自其他航天器的攻擊時，能分散成模塊，并在威脅解除后重新組裝，從而實現自我防御；另一方面，模塊化可重構航天器便于快速維修和維護，即使受到攻擊或自然損壞導致部分模塊失效，也能通過更換新模塊快速恢復系統功能。

需重視發展模塊化可重構航天器并開展標準制定工作

為避免被實施技術突襲，在下一代航天器變革中搶占主動權，需重點支持相關技術，包括用于裝配模塊的太空機器人技術等的發展。在航天器廣泛應用前，及時制定模塊化技術標準和機器人操作標準，以保障技術通用性和可推廣性，促進技術可持續發展。