新概念航天器_模块化分离式卫星

1、 朱毅麟新概念航天器一 、 何谓 “ 模块化分离式卫星 ” ?将卫星拆解成若干个不同功 能的模块 (如有效载荷模块 、 电 源模块 、 控制模块 、 推进模块 、 测控模块和数管模块等 , 将诸 功能模块送入各自的空间轨道 , 构成星座 , 每个模块执行自己的 功能 , 模块之间通过无线接口相 互配合 , 共同完成整星的任务 , 这就是模块化分离式卫星 。 分离式卫星的概念与目前已 知的分布式卫星的概念有共同之 处 , 也有本质上的差别 。 共同之 处是它们都以在轨 “ 编队飞行 ” 方式 , 组成星座 。已 知 的 分 布 式 卫 星 一 般 由 若干颗 (38颗 小卫星构成星 座 。 每

2、颗 成 员 卫 星 分 别 在 有 微 小 差 别 (周 期 相 等 , 倾 角 、 偏 心 率 、 升 交 点 赤 经 及 过 升 交 点 时 刻 等 轨 道 根 数 略 有 不 同 的 轨 道 上 运 行 , 相 互 间 保 持 一 定 的 相 位 和 距 离 , 编 成 一 定 的 几 何 队 形 , 例 如 内 接 多 边 形 , 卫 星 位 于 多 边 形 顶 点 , 并 围 绕 某 一 中 心 主 星 或 中 心 基 准 点 作 相 对圆周运动 。分 布 式 卫 星 星 座 的 成 员 是 完整的卫星 , 既独立执行任务 , 又 与 星 座 内 其 他 卫 星 进 行 信 息 交

3、换 , 功 能 互 补 。 由 于 卫 星 间 的 距 离 为 百 米 或 千 米 级 , 星 座 的 综 合 功 能 可 相 当 于 一 个 尺 寸达 百 米 到 千 米 的 虚 拟 卫 星 、 虚拟 对 地 观 测 基 线 或 虚 拟 合 成 孔径雷达天线 。不过 , 迄今为止 , 分布式卫星也还处于研究发展阶段 , 世界上尚无一例工程实现 。 美国航空航天局 (NASA 曾研 究用多颗小 型 天 文 卫 星 编 队 飞 行 , 构 成巨 大 的 稀 疏 孔 径 望 远 镜 , 用 于天 文 观 察 。 美 国 空 军 研 究 实 验室 开 展 过 多 年 的 “ 21世 纪 技 术卫 星

4、 ” (Techsat 21 的 研 究 。第 一 阶 段 拟 用 3颗 小 卫 星 , 在800km 的圆轨道上编队飞行 , 卫星 间 相 距 200500m , 构 成 有 效孔 径 巨 大 且 能 调 整 的 虚 拟 雷 达天 线 , 进 行 演 示 验 证 试 验 。 事成之后 , 在此基础上建立由 38颗 小 卫 星 组 成 的 实 用 性 分 布 式雷达卫星 (星座 , 用于监视战场 势 态 , 特 别 是 跟 踪 地 面 移 动目 标 , 实 现 快 速 作 战 响 应 。 但Techsat 21项 目 中 途 下 马 , 没 有发射 。分离式卫星与分布式卫星的本质区别有两点 :

5、一是 “ 星座 ”中的成员不是完整的卫星 , 而是卫星的一部分 功能模块 , 它们 只 有 特 定 的 单 项 功 能 (如 供电 、 控 制 、 推 进 、 数 管 或 测 控等 。 卫星的任务由所有的功能模块联合完成 ; 二是功能模块都是标准化 、 通用化的产品 , 且易于扩展或升级 。二 、 模块化分离式卫星的优点模块化分离式卫星的概念是 美 国 著 名 的 新 技 术 研 究 发 展 中 心 国 防 高 级 研 究 项 目 局 (DARPA 于 2007年首先提出来 的 。 DARPA 认 为 模 块 化 分 离 式 卫星有以下特点 : 面向未来 (Future ; 可以快速 (Fas

6、t 研 制 、 发射和运营 ; 构 建 、 使 用 、 维 护 灵 活 (Flexible ; 分解成模块 (Fractionat-ed ; 在 轨 道 上 自 由 飞 行 (Free-Flying 。特 点 中 有 6个 英 文 字 母 F , 所 以 把 这 项 研 究 取 名 为 “ F6项 目 ” 。模 块 化 分 离 式 卫 星 (F6 的好处是 : 有 利 于 用 化 整 为 零 的 方 式 , 以较小的代价实现大型 、 巨 型卫星的建造和运营 ; 有 利 于 推 进 卫 星 的 设 计 标准化 、 技术通用化和产品现货 化 ; 有 利 于 卫 星 快 速 生 产 、 快速发射和快

7、速运营 , 以满足军 事应用的作战快速响应要求 ; 有 利 于 使 用 中 、 小 型 运 载器发射模块 , 分散发射风险 ,"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""&qu

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10、quot; " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " $ 模块化分离式卫星 37 Aug. 2008Aerospace China中国航天 2008年第

11、 8期中国航天 2007年合订本硬质封皮 , 书背烫金 , 装 帧实用 、 美观 、 大方 , 便于长期上架 , 每本 120元 (含 邮资 。 现办理邮购业务 , 需要者请从邮局汇款至 :北京 海淀区阜成路 16号航天科技大厦 1001房间 中国航天 编辑部 , 邮政编码 :100048。 汇款时务请写清姓名 、 通 信地址及邮政编码 , 以便及时投递 。中国航天 2007年 112期合订本已经出版 欢迎订购降低发射成本 ; 有 利 于 提 高 卫 星 生 存 能力 , 当卫星受到人为攻击或自然 因素破坏时 , 一般只有个别模块 受损 , 不致于导致 “ 全星覆没 ” , 整星可靠性高 ;

12、有 利 于 卫 星 受 损 或 失 效后快速重构 , 只需要发射失效模 块的替代模块 , 不涉及其他功能 模块 ; 有 利 于 卫 星 改 变 用 途 或功能升级 。 只需用不同的有效载 荷模块或先进的功能模块取代原 来的有效载荷模块或相应功能的 模块即可 。三 、 模块化分离式卫星的关键技术模 块 化 分 离 式 卫 星 是 一 个 创 新 的 航 天 器 概 念 , 目 前 尚 处 于 探 索 研 究 阶 段 , 面 临 新 的 技 术 挑 战 。 欲 使 其 能 付 诸 工 程 实 施 , 将 前 述 的 优 点 变 成 现 实 , 必须研究开发一系列关键技术 , 主要有 :! 卫 星

13、功 能 模 块 的 分 解 与无线接口技术 :包括功能模块的 自适应技术 功能模块不是完 整的卫星 , 但又要能在空间独立 工作 ; 模块间的功能分配与无线 接口 。! 模 块 间 无 线 传 输 技 术 :包 括 模 块 间 电 能 传 输 技 术 和 模 块 间 信 息 传 输 技 术 。 前 者 类 似 于 未 来 空 间 太 阳 能 电 站 向 地 面 输 送 电 能 用 的 微 波 传 输 或 激 光 传 输 ; 后 者 可 在 分 布 式 卫 星 的 星 间 通 信 链 路 技 术 基 础 上 扩 展 应用 。! 整星编队飞行控制技术 :包括功能模块的位置与姿态的保 持与控制 。

14、此项技术与分布式卫 星相同 , 但控制精度可以放宽 。! 数 据 网 络 和 信 息 处 理 技术 , 包括功能模块间统一的标准 化数据 IP 、 软硬件接口标准和在 轨数据处理技术 。! 模 块 化 分 离 式 卫 星 的 地面 环 境 模 拟 试 验 与 演 示 验 证 技术 。四 、 国外发展状况 DARPA 在 2007年 7月召开了 F6项 目 的 发 布 会 , 会 上 就 模 块化分离式卫星的概念研究 、 方案 设想 、 关键技术和集成演示验证 等主题进行了研讨 。 主题研讨分 为公开的和保密的两类 。 参加发 布会活动的单位有波音 、 通用动 力和轨道科学等航天公司以及喷 气推

15、进实验室和海军研究实验室 等 。F6项 目 将 分 为 4个 阶 段 实施 。 第一阶段为卫星系统概念研 究 、 方案设计 、 在轨动力学研究 和系统仿真分析 ; 第二阶段进行 系统技术设计 , 完成卫星各功能 模块的软硬件开发 ; 第三阶段完 成功能模块的研制 , 进行系统集成和地面模拟试验验证 ; 第四阶 段发射功能模块 , 组成分离式卫星 , 进行在轨演示验证 。DARPA 还 对 F6模 块 化 分 离式卫星提出初步技术要求 , 其中 包括 :每个功能模块的质量应不 大于 300kg , 以便使 用低成 本 的 商业运载器发射或进行 “ 一箭多 块 ” 发射 ; 在 F6项目实施后 4年 内发射首个功能模块 ; 最后发射的功能模块在轨工作寿命不少于4年 , 即在轨组成整星后工作寿命不少于 4年 。五 、 结束语模 块 化 分 离 式 卫 星 (F6项 目 具有较强的前瞻性