中国太空新装备可捕获拖拽非合作目标卫星,今

2019-11-17 04:19栏目:中国军情
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  为什么要采用上面级来清理空间废旧卫星呢?就航天专家介绍,这主要是因为上面级具有较强的轨道机动能力,能够为重达几吨的卫星提供足够的速度增量。而为了实现对非合作目标卫星的识别、“捕获”和拖拽,采用上面级改装的空间碎片清除飞行器还需要具有以下能力:

在距我们这颗蓝色星球35786千米之外的赤道上空,有一条神奇轨道,因轨道周期与地球自转周期相同,被称作地球静止轨道。存在于此的卫星相对于地面是静止的,且信号覆盖范围大,因此,与民生息息相关的通信、导航、气象卫星都会被火箭推送至此!但是因为特殊的位置、外部环境,管理者往往鞭长莫及,这些卫星一直面临着缺医少药的窘境! 为了尽可能挽回GEO卫星故障或失效造成的损失,并有效保护GEO轨道资源,上海航天技术研究院上海宇航系统工程研究所作为国家国防科工局等上级领导部门首批支持的在轨服务技术抓总研究单位,在过去的三到四年间,利用总体优势,协调哈尔滨工业大学、上海空间推进研究所等单位,瞄准国外先进技术水平,正在研究和攻关以卫星维修,寿命延长,消耗品补给及轨道垃圾清除为目的的在轨服务技术。 近期,上海宇航系统工程研究所成功完成国内首次在轨服务全流程地面试验! 卫星的抢修车 在全年恒温的模拟失重操作平台上,一颗卫星因为缺少推进剂和一个重要模块的损坏而丧失了功能。指挥官一声令下,一辆长和宽各约1米,高约1.5米的无轮车朝这颗卫星缓缓飘来,并与其进行交会对接。随后,浮动断接器插入卫星的连接管路,一段时间后,推进剂完成补加,并且一滴不漏。紧接着,机械手臂优雅地伸展开来,对待修卫星损坏模块进行识别,卸载,放回车内的储备层,再从车厢中找出备用模块,准确无误地在目标卫星上安装好! 这一系列动作自动完成,如行云流水,一气呵成!在场的人都发出由衷的喝彩。实际上,这辆有着高大上功能的小车还只是试验品,一旦发展成熟,发射到太空中,被实际应用时,将有一个酷炫的名字在轨服务飞行器,这就是在轨服务技术所催生的一种用于在轨服务任务的新概念智能航天器。 在轨服务飞行器本质上也是一种卫星,特殊之处在于它的功能:为在轨航天器提供维护维修、部件组装、物资燃料补给、功能拓展等服务,以有效支持空间任务需求。因此,它集医生维修工保姆功能于一身,是卫星的守护使者! 据悉,在轨服务技术可以提高航天器运行可靠性,降低总体研制运行成本;利用在轨维修代替整星替换,提高航天器研制效率;在轨制造组装技术实现航天器的优化设计;空间碎片移除、辅助离轨、在轨维修等商业应用;促进航天器研制变革;牵引带动多学科、新技术发展。 小车由四大部分组成 完成地面试验的无轮车也并非是一辆车或者一个卫星模型那么简单,而是一个模拟飞行器在太空中运行的气浮式综合试验系统。 在地面上利用固定支座导轨装置,开展以上操作都容易实现,但要在模拟太空失重环境的气浮台上,完成全套交会对接、推进剂补加和机械臂模块更换试验,获得成功,着实不易!全程参与这一系统设计和建造的汤树人高级工程师介绍道,就拿看似简单的自主交会对接为例,在轨服务飞行器需要对目标飞行器,进行自主位置姿态识别,随后进行近程、超近程逼近,直至在轨服务飞行器捕获目标飞行器完成对接;在此过程中需要完成两个飞行器由于速度姿态的不同,所具有能量的缓冲吸收。这在太空没有类似地面摩擦、大气阻力的情况下,就是一大技术难点,而我们的气浮式综合试验系统就能很好的模拟空间失重无摩擦环境,实现对相关关键产品的技术验证工作。 这个形似小车的在轨服务飞行器模拟器呈框架式结构,大体由结构机构、测控通讯、供配电和气浮推进四大部分组成。前三大部分,顾名思义是模拟将来的在轨服务飞行器的各项功能;而最后的气浮推进部分,则主要模拟飞行器在太空失重情况下的无摩擦运动。依靠小车上自带的压缩氮气,给小车下的四个圆形气足供气,从而气足与大理石平台之间形成薄薄的气膜,使得小车能够浮起来,同样依靠小车周围布置的一圈推进喷管往不同方向喷气,控制小车朝各个方向运动和刹车,从而实现小车近似失重状态的运动。 整个在轨服务气浮式综合试验系统,花费近千万资金,历时3年才研制而成。它与国外同类气浮试验系统相比,具有平台活动空间大,承载力强等优点:有效气浮面积超过50平方米,有效载荷能力超过150千克,单次连续气浮试验时长超过30分钟,可在320W输出功率下持续工作超过1小时,是验证飞行器性能,提高空间在轨服务飞行试验一次成功率的有效方法,具有广阔的应用前景。上海航天技术研究院上海宇航系统工程研究所在轨服务地面综合试验系统的研制成功,为后续进一步开展在轨服务飞行试验奠定了扎实基础。 中国在轨服务技术未完待续 目前在GEO轨道运行的人造航天器系统面临着各种困境:比如难免故障而又基本无法维护。典型的例子如我国在2006年10月29日发射的鑫诺二号卫星,虽然成功进入轨道,且卫星的测控等系统均处于良好的状态,然而,由于太阳帆板未能展开,卫星无法正常工作,这颗耗资10余亿人民币、设计寿命为15年的卫星即成了一颗废星。 再如卫星发射时可携带的消耗品,包括推进剂和电池等消耗品有限,这些物质一旦耗尽,航天器的寿命也将终结。此外,因为地球静止轨道高达约36000千米,大气阻力可以忽略,报废航天器形成的轨道垃圾会长期占据轨道位置难以清除,而理论上,这一轨道仅能容纳卫星1800颗。欧洲航天局2009年2月的报告指出,截至2008年底,已探明的GEO圈内物体大约1186个,其中仅381个处于控制状态。 据国外对GEO卫星进行在轨维护效益分析,相比发射一颗新替代卫星,在轨维护与服务将带来5到6亿美元的直接收益,具有巨大的经济效益和价值。因此,从在轨维修,模块更换,燃料加注和在轨救援等在轨服务需求出发,各国都在争相开展相关技术的研究,为实施在轨服务提供技术解决方案。 已有美国、俄罗斯、日本等国家进行了在轨服务的实战。1990年4月24日,哈勃太空望远镜随发现号航天飞机发射升空,由于制造的镜片厚度有误,首批传回地球的影像产生了严重的球差,十分模糊,对镜片进行了更换,此后,哈勃又因为设备的更新、维修和校正,多次接受由宇航员操作的在轨服务。最近一次是在2009年5月,宇航员更换了哈勃望远镜上的陀螺仪、电池和其他能够保证哈勃工作到2014年或2015年的设备。这得益于美国航天飞机技术的发展,这一可反复利用的载人航天器在目前的人工在轨服务中发挥着举足轻重的作用,已经承载着宇航员成功完成了20多年包括卫星回收、救援和维修的在轨服务操作。 目前对在轨系统开展维护与服务往往离不开宇航员的直接参与,但在太空失重、高辐射等恶劣环境下,人的参与必定要增加生命保障系统的投入,大大提高了任务成本,而且风险过大,因此许多国家开始研究和构建自主式在轨服务系统:利用智能的在轨服务飞行器自主完成空间在轨服务任务。 与国外相比,国内在2005年左右才开展比较多的在轨服务技术研究,起步较晚,好在我们正在迎头赶上:十五期间,我国开展了空间实验室在轨维修技术、在轨维修加注技术、在轨支援与投送技术等概念的研究;十一五开始,国内相关单位联合开展了对在轨服务的设计、仿真模拟技术与验证评估手段的研究;如今,正处在十二五期间,上海宇航系统工程研究所在轨服务地面综合试验系统研制及其全流程地面试验的成功,表明我国已经具备开展在轨服务飞行演示验证的能力。 至此,中国在轨服务技术未完待续,我们期待精彩继续。

  宋忠平补充说,从上面级自身整体设计来看,它本身应有姿态控制系统和导航系统,作为小型“货运飞船”,它能向各级轨道输送更多有效载荷。“‘远征一号’连续工作6.5小时,这时间足够把不同载荷运载到不同轨道;而且这几个轨道可能差异很大,包括近地轨道、中高度轨道、远地轨道的连续变轨。”

据了解,上面级受到世界各国的普遍重视,截至目前,世界航天大国先后研发的上面级达数十种之多。来源:国防部网

图片 1 用卫星抓卫星示意图

  “不能简单说孰优孰劣,发展了上面级技术,会让未来卫星发射的选择更多元,根据需要来选择卫星的发射方式。”宋忠平补充说,与星载发动机技术相比,利用“太空摆渡车”发射卫星不仅成本相对较低,还更简单,而“简单意味着更安全”。

从上世纪80年代末开始,我国先后研制出多型固体推进剂上面级,共进行了10次飞行,全部取得圆满成功。但此前的上面级均为满足某种单一任务而研制,远征一号上面级则同时具备了多种特性,被火箭设计师称为真正意义的“太空摆渡车”。

  “上面级”是一种介于有效载荷与基础级运载火箭之间的具有自主轨道机动能力的新型运输工具。由于可以自主地将不同载荷运送到不同轨道,因此被形象地称为“太空巴士”。据介绍,未来我国还将进一步研究利用上面级清理空间废旧卫星的作用,能载着废弃卫星一起飞向“坟墓”轨道,腾出有价值的轨道空间,减少对其他航天器的影响和威胁。这里所说的“废旧卫星”,主要指的是位于地球静止轨道上的卫星,执行清理任务的飞行器称为“碎片清除飞行器”。

  全国两会期间,全国政协委员、中国航天科技集团一院党委书记梁小虹透露,由该院研制的我国首个“太空摆渡车”——“远征一号”将于今年首次试飞。虽然此次首飞试验不执行具体任务,但据悉将会模拟未来任务的全过程。航空科普专家、《航空知识》副主编王亚男在接受《中国科学报》记者采访时表示,“太空摆渡车”可视为航空领域又一“门槛级”技术,“远征一号”首飞成功则意味着我国在航空航天技术领域再进一步。

中国太空新装备可捕获拖拽非合作目标卫星,今年将首飞。——可多次启动。运载火箭将其送入太空后,“太空摆渡车”能多次点火启动,满足不同发射任务的需求。

  防撞能力。在对废弃卫星交会、抓捕和拖拽过程中,碎片清除飞行器需要避免与目标发生碰撞,始终监测与目标之间的距离,必要时采取规避措施。

  记者了解到,预定于地球同步转移轨道(或称“地球静止轨道”,特指卫星或人造卫星垂直于地球赤道上方的正圆形地球同步轨道)环境运行的卫星通常可依赖火箭上面级将其送入轨道。不过,如果卫星非常先进,自带星载远地点发动机,就不须用上面级也可进入轨道。相较之下,“太空摆渡车”优势何在?

此外,此次研制的远征一号上面级首次采用了液体推进剂,在轨工作时间为6.5小时。“太空摆渡车”的问世,将大大增强我国运载火箭的任务适应性。

  携带组合式推进系统。由于时间约束性不强,为减轻质量,提升碎片清除能力,提高任务经济效益,碎片清除飞行器携带“电推进+液体双组元推进”组合式推进系统。在地球同步转移轨道段由电推进系统完成;静止轨道碎片清除任务由液体双组元推进系统完成,以提升清除过程中的姿态和轨道控制能力,并缩短碎片清除时间,尽快为后续卫星提供轨位。

  然而,王亚男告诉记者,卫星自载动力一般为高压气体,而非搭载液体推进剂,因其主要用于调整姿态等小幅度位置变动,不需要大推力动力系统;而作为“摆渡车”的上面级,它秉承“使用尽量少的推进剂产生尽量大的推力”,有能力把卫星送到不同轨道的不同位置(甚至是地火轨道转移),既可以发射单星,又可以发射多星,在性能和设计上追求最优解。

梁小虹介绍说,“太空摆渡车”主要有四大特点:

  承载能力。碎片清除飞行器需要完成地球同步轨道转移、静止轨道碎片清除等机动,携带推进剂量大,同时需要完成对大型卫星的拖拽控制,并安装多个抓捕装置,需要具有较强的承载能力。

  “远征一号”上面级能够“在轨工作6.5小时”是什么概念?王亚男告诉记者,6.5个小时足够部分卫星完成大幅度的变轨,或者完成某种卫星较为复杂的发射和入轨。

——工作时间长。长于运载火箭的工作时间,可以达到数小时、数天乃至数十天。

  自主运行管理能力。为使碎片清除飞行器能够清除静止轨道上全区域的废弃卫星,降低地面操作成本,提升碎片清除的经济效益,飞行器需要具有自主运行管理能力,主要包括自主任务规划与管理和自主导航与控制能力,能够实现地面对任务指令的一次注入,飞行器自主完成对指定区域多个目标的清除工作。

  专家介绍说,“太空摆渡车”并不神秘,它只是运载火箭最上面的一级(或数级),也是最后一级(上面级以下的几级被称为基础级),简称之为“上面级”。通常,有效载荷(如卫星等)通常和上面级一起,由基础级运载器发射进入准地球轨道或地球轨道,再进一步由上面级送入预定工作轨道或预定空间位置。

——兼具运载器与航天器的技术特性,是在运载火箭或重复使用运载工具上面,增加的相对独立的一级或多级,可依靠自身动力携带航天器继续飞行。

  假设每颗废弃卫星重3吨,碎片清除飞行器平均每次任务的速度增量约80m/s,耗费燃料约160kg。考虑工程余量,携带1500kg常规化学推进剂能够实现对6颗静止轨道废弃卫星的清除。俄罗斯能源火箭航天公司总裁维塔利·洛波预计,每清理静止轨道一颗废弃卫星可以赚2000万~5000万美元,清除6颗静止轨道废弃卫星可以赚1亿~3亿美元。可见,太空垃圾清扫服务是钱途无量的。

  随着近年来各国的发展和完善,运载火箭的上面级通常具有功能多、工作时间长等特点,可在太空中多次点火启动,能携带多个航天器,通过飞行轨道的变化可先后把不同航天器送到不同目的地,满足不同发射任务的需求。

新华社北京3月3日电记者王敏、任沁沁报道:全国政协委员、航天科技集团中国运载火箭技术研究院党委书记梁小虹3日接受记者采访时表示,我国首个“太空摆渡车”今年将首飞,在未来的探月、探火等深空探测任务,在轨道转移、空间碎片清理等轨道服务,在新材料、新技术验证等空间试验领域等将发挥重要作用。

  地球静止轨道是人类宝贵的空间资源,其间运行着众多通信、中继等高价值卫星。目前地球静止轨道上运行着约450颗卫星,而随着航天技术的不断发展,静止轨道将变得越来越拥挤;另一方面,静止轨道空间碎片有1200多个,主要包括运载火箭末子级或上面级、废弃卫星、卫星分离物及卫星爆炸或碰撞后产生的碎片,这些空间碎片占据了宝贵的轨道资源,不仅造成了资源浪费,而且严重影响在轨卫星的生存,对空间碎片进行在轨清除成为空间技术发展的重要趋势之一,美国、俄罗斯、欧洲和日本都已开展相关技术研究。

图片 2   远征一号(科学报图片)

——可以先后把不同“乘客”送到不同目的地。在太空,“太空摆渡车”接力火箭继续执行飞行任务,可通过飞行轨道的变化,将携带的一个或多个航天器直接送到工作地点。

  11月11日,第十届中国航展在珠海隆重开幕,此次航展中国航天科技集团上海航天技术研究院展出了其最新研制的“多星发射上面级”,可以执行中低轨道的多星异轨部署及星座组网补网部署任务,在轨飞行48小时,主发动机具有20次以上的重复启动能力,最多可一次性实现大于10颗卫星的发射。

  军事评论员宋忠平在接受《中国科学报》记者采访时说,此前的运载火箭上面级多采用固体推进剂,无法重复点火,故其所能执行的任务也比较单一;“远征一号”上面级采用液体推进剂,能够多次启动,在太空工作时间较长,可以执行多项、复杂任务。

梁小虹介绍,中国运载火箭技术研究院研制的远征一号上面级,今年首飞在即。上面级是一种由基础级运载器发射进入准地球轨道或地球轨道,能够进一步将有效载荷从准地球轨道或地球轨道送入预定工作轨道或预定空间位置的具有自主独立性的飞行器。

  另外,通过轨道设计,上面级可满足一些任务的特定要求。如“半人马座”上面级将美国“月球陨坑观测与感知卫星”运送至月球轨道,并先后撞击了月球。(见习记者 赵广立)

  “比如一次发射两个以上卫星,这几个卫星处于不同轨道。运载火箭推送到第一个预定轨道,上面级点火释放一颗,到另外轨道,上面级再点火释放另外一颗,如此类推。”宋忠平说,“不妨认为它是一种货运飞船,既是一个运载工具,又是一个航天器,兼具二者的特性。”

  而当地球静止轨道卫星平台未装远地点发动机时,只能依赖火箭上面级直接送入轨道。自1978年以来,美国前五代GPS导航卫星已发射57颗,分别用“宇宙神”“德尔塔”等运载火箭送入转移轨道后星箭分离,再依靠远地点发动机到达工作轨道。与前五代GPS卫星相比,第六代GPS导航卫星不用远地点发动机入轨,而用有上面级的“德尔塔-4M”或“宇宙神-5”运载火箭直接送入工作轨道。

  欧洲在上面级技术方面虽然起步较晚,但其技术起点高,其上面级具有性能好和适应性强的特点,市场竞争力很强。

  据媒体报道,自上世纪80年代末开始,我国先后研制出多型固体推进剂上面级,共进行了10次飞行,全部取得成功。但这些只能满足某种单一任务,尚不具备处理复杂太空任务的能力。

  “通讯卫星、遥感卫星等作为同步卫星,它们在飞行过程中可能会面临轨道下降的问题。这时候如果能启动发动机微调,能延长卫星工作寿命。”宋忠平告诉记者,因此,许多国家希望他们能够发射具备星载发动机技术的卫星,“如果不计成本的话”。

  而由于“远征一号”上面级要求同时具备多种特性,被火箭设计师称之为真正意义上的“太空摆渡车”。

  多用途的上面级

  “包括在空间站建设中,这些技术都是必不可少的。”宋忠平告诉记者,飞船与国际空间站的两种对接方式,其中一种就类似机械臂的抓取,“太空机械臂在未来太空探索中必将发挥重要作用,我们需要逐步掌握”。

图片 3   美国“半人马座”上面级(资料图)

  梁小虹也指出,掌握该技术后,“太空摆渡车”将在我国未来的月球、火星等深空探测任务中,在轨道转移、空间碎片清理等轨道服务中,在新材料、新技术验证等空间试验领域中发挥重要作用。

  “太空摆渡车”另外一个重要的使命,就是可提供轨道转移、空间碎片清理等轨道服务。然而,“打扫太空垃圾”绝非易事。

  据媒体报道,“远征一号”是我国首次采用液体推进剂的上面级,在轨工作时间可达6.5小时。

  “美国已经在这条路上走在了前列。”宋忠平认为,利用太空飞船或“太空摆渡车”来释放、收回卫星更为灵活,应用更为广泛,验证和发展机械臂技术是未来需要考虑的方向。

  那么,“远征一号”与此前的运载火箭上面级有何区别?

  譬如此次我国为搜救马航失联班机MH370,先后调度20余颗卫星。其中一些遥感卫星就需要通过星载发动机来改变卫星的轨道,通过变轨让它对目标区域进行扫描检测。

  针对运载火箭上面级具有多次变轨、高精度导航、星箭接口适应性强等特点,许多一箭多星任务可由上面级完成。如欧空局计划采用一箭双星的发射方式分两次向两个轨道面发射“伽利略”导航卫星。

  宋忠平告诉记者,“远征一号”上面级最大的特点就是液体推进剂赋予它的具备多次重复启动的能力。

  发射卫星新手段

  太空垃圾回收车

  美、俄(前苏联)等航天大国从20世纪五六十年代就开始发展上面级技术,已经研发出的上面级达数十种。公开资料显示,美国在20世纪50年代末就开始进行上面级的研制,到目前共研制出10多种上面级,用于发射大、中、小型有效载荷。典型的有“阿金纳”和“半人马座”上面级。

  也就是说,“远征一号”上面级不再是单纯的运载火箭中的一级,或者说它已不仅仅是个运载工具,到了太空,它就成了“太空摆渡车”,背负起将有效载荷送入指定目的地的责任。

  如果把利用“太空摆渡车”发射和释放卫星到预定轨道的动作比作“卸车”,那么从特定轨道回收太空垃圾的动作就是“装车”。“摆渡车”上如果有“机械臂”的话,那么这两个动作都将变得相对轻松和灵活。而且,太空垃圾多为报废卫星,如果抓回来之后还能软着路,对报废卫星进行回收,还具有一定的研究价值。

  “‘太空摆渡车’在太空的机动运输能力很强。”王亚男认为。“太空摆渡车”的问世,将大大增强我国运载火箭的任务适应性。

  欧美各国的“太空摆渡车”

  “怎么收集太空垃圾?如何处理?太空垃圾首先不能对回收者造成实质性威胁。”宋忠平认为,未来“太空摆渡车”或能够同时具有机械臂功能。

  王亚男还指出,被称之为“太空摆渡车”的上面级,作为具有一定的轨道机动能力的末段运载器,不仅能够满足航天器的变轨需求,增强了发射效率,还有利于延长卫星在轨运行的寿命。

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