zt 美国“轨道快车”系统及其军事应用

《现代军事》　2007年第12期     彭 灏

2007年3月8日，美国“宇宙神”5型火箭携带“轨道快车”(OrbitaIExpress)先期技术验证装置从佛罗呈达州卡纳维拉尔角发射升空，开始了为期4个月的自主交汇和停靠能力验证试验。“轨道快车”系统由两颗卫星组成 一颗是作为维修卫星的波音公司“自主空间传送机器人轨道器”(Autonomous Space Transport Ro-botic Orbiter ASTRO!另一颗是鲍尔宇航公司替代下一代耐用卫星(NEXT gene ration se rviceableSatellite，NEXTSat)进行试验的客户卫星、它们被部署在492千米的圆形低地球轨道上倾角46度经过验证试验后NEXTSat和ASTRO卫星分别于7月21入日和22日脱离轨道。
　　
　　“轨道快车”计划的概况
　　
　　轨道快车项目作为空间试验计划(STP)的一部分“由美国国防部出资除了轨道快车”空间试验计划还包括STPSat-1卫星和另外3颗小卫星。
　　
　　“轨道快车”计划的目的
　　
　　“轨道快车项目的用途是验证星载机器人维护在轨卫星的技术可行性，演示验证在轨交互对接，在轨维修与器件更新等操作。按照美国航空航天局的说法，“轨道快车”计划的目的是验证卫星交汇，捕获，停靠，维修以及补充燃料等空间技术，以支持未来更广泛领域内的商用，民用和国防空间计划，“为美国未来空间能力的关键技术提供支撑在今后几十年内替代宇航员的空间操作”。

　　具体地说美国期望通过该验证项目获得新的空间操作能力，包括为卫星补充燃料使其能够进行机动 以扩大覆盖范围，改变飞临目标上空的时间并提高卫星的生存能力，延长其寿命对在轨卫星进行维修更换故障组件，更新系统部件，调整卫星结构，使卫星能够在发射后进行技术升级而不需要发射新的卫星：进行空间资源保护或部署专业卫星进行空间检查，在提高在轨卫星性能的同时减少其寿命周期费用，并为其他轨道维修任务提供技术储备。
　　
　　除了民用和商业空间活动，“轨道“快车”计划将使卫星能够支撑重要的国防任务，在空间作战领域引发新一轮革命尤其是，在轨卫星燃料补充技术将为美国卫星提供更强的机动能力为应急任务提供灵活的战术安排。比如，通过机动飞行避免空间碎片或其他物体的碰撞 改变侦察卫星的运行轨道和对地面目标的观察时间，以对抗地面的伪装活动等等。
　　
　　“轨道快车”的一对试验卫星
　　
　　“轨道快车”系统的两颗卫星由“宇宙神”5，型火箭同时发射ASTRO维修卫星安装有先进的机器人可以为客户卫星在轨更换部件、补充消耗品，NEXTSat客户卫星则替代“下一代耐用卫星”进行试验，既代理(surrogate)被维修卫星，也在试验中作为维修卫星的燃料和备件仓库；两颗卫星相伴着围绕地球旋转并多次进行停靠和分离以验证在轨燃料补充和卫星修复技术，包括更换电池和计算机，关键的技术装置是一个先进而小巧，称为先进视屏导航传染器(AVGS)的自主导航系系统，主马歇尔空间飞行中心研发

　　ASTRO维修卫星长70英寸(177.8厘米1)宽64.8英寸(164.6厘米)在轨燃料重700千克太阳能电泄板长200英寸(508厘米)，功率1560瓦卫呈的机械手重71千克，外形尺寸65、49、186厘米，臂长3米功率131瓦是一个六自由度装置星上的自主交汇与捕获传感器系统包括2苗可见光相机分别为量程200千米／视角6.5量程100千米／视角40 还有量程20千米的长波红外成像仪和量程10千米的激光测距仪各一台ASTRO卫星能够在500米范围内通过与存储的不同角度拍摄的NextSat卫星图像相比较确定其相对姿态ASTRO的机动和定位系统有16个3.6牛的进器和反作用轮(reaction wheels)

　　NEXTSal客户卫星重224千克 长99英寸(251厘米)，宽387英寸(98.3厘米)，功率500瓦该星以美国鲍尔实验室RS-300惯性卫星标准平台为基础并为在轨更换组件而重新设计了指挥控制，数据处理等星载部件和软件，包括，与ASTRO星交汇操作的辅助设备(如被动对接敏感器，反向反射器和交叉形对接机构)、十字形网络天线，分离机构、轨道更换单元、存贮舱(包括34千克燃料贮箱) 燃料输送模块 以及与ASTRO星相匹配的机械，电气接口等NEXTSat卫星具有双重功能一是代理下一代耐用卫星进行试验，二是在试验中作为在轨仓库储备燃料和备件。
　　
　　“轨道快车”的验证内容
　　
　　“轨道快”车的验证项目包括一周时间的初始校验，对接后的推进剂传送试验：ASTRo利用机械手向NEXTSat传送电池，拔插2个传感器计算机的电源插头，抓住NEXTSat卫星并将其移动到2米左右的不同位置然后与ASTRO重新对接，NEXTSat卫星被释放并自主飞行，ASTRO卫星退后，16分钟后重新停靠，最后，改变照明条件，在7千米的范围内进行7次交汇和捕获演练 所涉及的操作大体上可以分为以下几类：

　　(1)自主捕获卫星。ASTRO卫星在靠近NEXTSat卫星时利用机械手前端照相机获取的图像，自主捕获NEXTSat甚至在相对对动速度和初始偏差很大的情况下仍然能够顺利完成任务。

　　(2)自主定位及对接。ASTRO靠近NEXTSat将其捕获，用机械手进行定位，并可靠地对接。

　　(3)主视频监测，对接以后，对卫星将要进行机械操作的位置进行视频监测，监测点包括旋转机械装置、天线、接口界面，相机和太阳电池板等

　　(4)自主更换组件，标准备件包括电池，飞行计算机，科学仪器以及其他可替换的组件。在被损坏或需要更新的部件被替代后，开始实际的维修操作。

上述验证内容是未来卫星维修中的典型操作，必须可靠、低成本并高度自主地进行通过4个等级的维修操作验证，最终全面验证卫星的自主维修能力
　　
　　“轨道快车”计划的进展
　　
　　2002年3月，美国国防高级研究计划局(DARPA)确定波音公司作为“轨道快车”计划的主要承包商，负责完成第二阶段轨道快车“先进技术的研制任务。项目团队由“幻影”工作小组领导，成员包括鲍尔宇航公司、TRW空间与技术公司、麦克唐纳机器人技术公司 查尔斯实验室以及星系统科研公司。其中，星系统科研公司负责停靠捕获系统，麦克唐纳机器人公司负责ASTRO的机械臂及相关的计算机软硬件，诺·格公司负责燃料传输和推进系统(包括连接两星的流体软管)，轨道科学公司负责’先进视频导航传感器，麻省理工学院实验室负责任务管理软件的开发。

　　美国国防部导弹防御局为先进空间机器人技术的研发花费了20多亿美元，以支持未来有人及无人卫星维修，轨道快车就是项目之一。其他项目中，安装在航天飞机上的机器人系统已经部署，捕获和维修了许多在?旆尚械奈佬牵??ǘ怨??占渫?毒档?4次成功维修在国际空间站上装有移动维修系统，维修对象不仅是国际空间站自身，而且包括访问国际空间站的空间飞行器。

　　“轨道快车”验证计划的内容很广泛，包括国防，民用和商用等领域的技术验证任务，2007年3月8月开始的“轨道快车”任务中，第一次在空间进行无人更换组件，成功进行了如下试验：

　　(1)燃料传送和组件更换试验。在发射一周后，成功地从ASTR0NEXTSat传输肼燃料，其中，利用压力传输系统传送了31.97磅(14.50千克)，利用传送泵系统传送了19.2磅(872千克)，接着，ASTRO利用机械手向NEXTSat传送一个重24千克的电池并将其成功安装到NEXTSat能源系统中、这些验证任务是在卫星最低等级的自主功能下进行的，需要一些来自地面的命令。在以后的试验中将减少对地面确认的需求，使。轨道快车。更自主地进行飞行验证。

　　(2)自主停靠和捕获验证试验。5月11日，“轨道快车”系统成功完成了自主飞行停靠和捕获任务。ASTRO卫星利用携带的照相机、视频导航系统和停靠机械装置，靠近并捕获NEXTSat随后与之分离、后退到10米及30米的距离，并保持靠近飞行，然后再次利用其机械手完成对NEXTSat的捕获。这项验证任务完全由卫星自主完成，没有交换相对导航信息、没有任何干预。也没有由地面控制，标志着首次自主在轨停靠与捕获操作获得成功。

　　(3)全自主运转和捕获验证试验。6月16日，在5个小时的试验中，“轨道快车”系统完成了NEXTSat卫星自主运转和捕获试验。ASTRO维修卫星与NEXTSat客户卫星成功进行了分离、旋转和对接操作。这次试验最初用被动传感器进行导航信息的非主动交换，或者由地面控制器参与。ASTRO卫星定位在NextSat卫星上方60米，沿着一条虚拟的“Rbar”线——一条地心经NextSat卫星的延长线去捕获后者。

　　ASTRO和NEXTSaI在对接模式上开始验证。在预定时间ASTRO自主地与NextSat分离到120米的距离，随后保持这个距离围绕后者旋转17分钟，在飞行过程中利用传感器系统持续跟踪后者并微调与它的距离。然后，ASTRO机动到NEXTSat上方，沿“Rbar”线方向接近后者到几厘米的距离，捕获机械装置抓住NEXTSat，轻柔地使两星对接到一起。
　　
　　“轨道快车”技术的潜在军事应用
　　
　　无容置疑，一颗具备在轨监视，燃料加注、硬件更换，软件修改功能的卫星，也自然能使客户卫星失效，损毁能恶意修改星上软件，能干扰卫星的通信，还能通过喷涂化学物质遮挡卫星传感器的视场，而且这种反卫星手段具有极大的隐蔽性。因此，“轨道快车”中验证的关键技术拥有潜在的军事应用前景。一旦“轨道快车”技术成熟，美军将进一步提高其空间感知、空间控制和空间作战能力，并直接推动空间攻防技术迈向实战，为最终在空间部署反卫星武器、确立绝对空间优势打下基础。
 
　　“轨道快车”技术在如下几方面具有极高的军事价值和诱人的军事应用前景。
　　
　　提高空间监视能力
　　
　　“轨道快车”卫星利用星载监视设备以及灵活的轨道机动和精确定位能力，不仅可以绕飞到特定的敌方军事目标上空，锁定感兴趣的目标区域进行持续侦察、监视，跟踪，利用星载成像设备拍摄高分辨率图像，为军事作战提供实时信息支援而且能灵活避免对方的反卫星侦察，保护自身不受敌方的攻击，从而提高卫星的生存能力。
　　
　　实现天基反卫星
　　
　　“轨道快车”项目所验证的技术为美国研制反卫星武器奠定了基础一一既可利用高精度自主末制导(包括自主导航)技术及灵活快速的轨道机动能力，对敌对国的军事卫星实现动能直接撞击；又可以利用星载机械臂将其拉近、实施破坏乃至摧毁，或将它推离正常轨道，使之丧失作战能力，或利用卫星停靠技术，对其实施软杀伤。这种天基太空拦截方式的主要优点是：拦截距离大可以在全球范围内进行拦截，不受被拦截目标轨道高度的限制，使用方便，隐蔽性好。

美国虽然没有公开宣示进行反卫星技术的研发，但是各种事实表明，美国近年来一直在大力发展反卫星技术。它发展的“自主交会技术演示验证”(DART)卫星和XSS系列卫星，包括2003年发射的XSS-10及2005年发射的XSS-11可以为发展反卫星武器提供技术支持。
　　
　　在轨补给，延长卫星寿命
　　
　　目前的卫星都是“一次性使用”的产品，只能依靠发射升空时携带的“运行给养”维持一定的寿命。一旦燃料耗尽或发生严重故障，地面控制人员往往无计可施，只能眼看着它毁灭。而“自我维护与保养”和“相互维护与保养”能力，可以大大提升与延长在轨卫星的寿命。

　　美国拥有数量庞大的军事卫星并高度依赖它。如若“轨道快车”项目所验证的在轨补给技术趋于成熟，一旦重要的军事卫星在战时出现故障或燃料耗尽，美军就可以通过在轨维修、加注燃料的方式使其重新投入战斗，如现有军事卫星的侦察能力无法满足战争要求，还可以通过更换部件实施在轨技术升级，最大限度的发挥军事卫星的作战能力。
　　
　　快速进入并占据空间
　　
　　“轨道快车”卫星的设计思路体现了在战时根据需要迅速部署微小军事卫星的作战思想。小型的“轨道快车”卫星可以放在改装后弹道导弹的弹头部位或者用火箭运载器发射。这些运载器成本低、可靠性高、发射准备时间短，能够随时大量向空间部署武器，满足现代战争对于快速反应的作战需要。