美国航天创新项目发展分析

国外航天 · 2016-11-22 23:42:44

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美国航天创新项目发展分析　　赵炜渝邢宁　　北京跟踪与通信技术研究所　　美国高度重视高新技术领域的概念创新和前沿技术创新的牵引带动作用，将其视为技术不断发展跨越的源泉和动力。尤其是在空间技术领域，美国积极制定计划，寻求空间技术突破，为维持空间优势谋求技术领先。近年来，美国又有一些创新型航天技术和计划取得重要进展，必将对未来航天发展的道路产生深远影响。　　一、美国典型航天创新项目概况　　1．美军推动“作战响应空间”概念发展与技术实用化　　2002年美国国防部武装力量转型办公室首次提出“作战响应空间” (ORS)的概念。2007年7月，美国国防部常务副部长备忘录将ORS定义为“确保空间力量聚焦于及时满足联合部队指挥员的需求”。美军将在ORS体系下，构建由三个层次组成的作战能力(表1)。

为此，美军成立了专门的组织机构，制定了“作战响应空间”发展计划，成功开展了多个飞行演示验证项目，卫星平台标准化、模块化技术、有效载荷技术、星地数据链技术等多项关键技术取得显著进展。　　目前，已经发射了4颗“战术星”(TacSat)和2颗ORS卫星(见表2、表3)，并具备了初步作战应用能力。ORS技术有望成为引发航天领域变革的创新技术，也反映出该领域正成为美军未来空间体系构建的重点之一，将推动美军军事航天理念和体系结构变革，对军事航天理论、技术和作战指控流程等产生深远影响。

2．美国国防高级研究项目局(DARPA)推出战术应用级低成本小型成像卫星计划　　为了解决战场态势感知数据获取不足，以及无法向基层作战人员按需提供卫星图像数据等问题，DARPA提出了利用低成本小卫星满足战术应用需求的创新概念，试图发展非传统技术，利用新型研制、发射部署和在轨运行模式，改变目前美国军事航天体系现状，实现关键技术突破和创新系统开发等目标。　　2012年3月，DARPA正式提出了“军事作战空间使能效果” (SeeMe)项目发展构想，并在2012年5月发布了跨部门意向征询书(BAA)，2013年10月完成高空气球飞行试验，测试平台性能及手持终端直接规划卫星载荷任务的能力。　　SeeMe项目利用低成本小型成像卫星，通过空中发射方式快速部署星座系统，以向前线基层作战人员快速、按需提供近实时的战场图像数据。SeeMe卫星星座由24颗小卫星组成，计划运行在200～350km低地球轨道，部署在南北纬10°之间区域，设计寿命为45～90天，重访时间。不超过90分钟。基层作战人员可向卫星直接下达成像指令，并在90分钟内接收分辨率约lm的图像数据。

SeeMe项目的创新概念主要包括：创新的卫星研制模式、创新的技术开发模式和创新的部署模式。DARPA力图通过上述三个方面创　　新的突破，探索新型军事航天装备发展应用模式，建立起一个面向战术应用的快速响应航天信息支援体系。与DARPA众多的前沿项目类似，SeeMe项目也在很大程度上存在着不确定性，2014财年，美国暂停SeeMe项目的投资，但原授出合同继续执行。　　3．DARPA“凤凰”计划力图实现高价值空间资产的再利用　　2011年10月，DARPA启动“凤凰”计划，旨在开发与演示验证从退役的地球静止轨道（GEO)卫星上获取天线等高价值组件组装新卫　　星的技术。2012年7月，DARPA授出“凤凰”计划研发合同，标志着该计划进入技术研发阶段。　　“凤凰”计划将演示验证多个先进的、具有挑战性的航天概念，包括：验证将“细胞卫星”(Satlet)和“形态重构”概念应用于卫星设计和制造； “有效载荷在轨释放系统” (POD)快速释放并在轨部署小卫星系统的能力；验证可自主飞行，能通过机械臂对卫星进行捕获并拆卸、安装天线的“服务卫星”概念。2013年，DARPA启动了用于“凤凰”计划首次在轨操作技术演示的目标卫星筛选工作。　　2014年上半年， “凤凰”计划完成第一阶段任务，在轨道机器人与卫星构型研究方面取得进展，并授出了第二阶段的主要合同，继续GEO轨道“服务卫星”、“细胞卫星”和“有效载荷在轨释放系统”方面的研究工作。DARPA计划在2015年或2016年进行首次在轨演示验证。

“凤凰”计划是对空间高价值资产再利用的需求及空间操作技术趋于成熟共同催生的产物。其所演示验证的创新概念和关键技术极具挑战性，将成为空间系统部署的一个新途径，并将对卫星的设计与研制等方面产生重要影响。　　4．新型微小卫星为空间低成本应用开辟新前景　　“立方体卫星” (Cubesat)最初是美国加州理工州立大学和斯坦福大学在1999年联合提出的标准化微小型卫星概念，可利用商用现货器件进行快速研制，能够为高等院校等研究机构提供成本低廉、发射便捷的空间科学／技术试验平台。随着首批“立方体卫星”于2003年6月发射入轨，这种新型的卫星概念也逐渐普及。　　目前，其应用范围已经突破了作为高等院校教育和科研手段或者技术试验平台的范畴，正在扩展至对地观测和通信等领域。标准的立方体卫星采用边长为10cm的立方体构型(即1个单元，或称1 U)，质量不超过1．33kg。其具有质量小、成本低、便于搭载发射等特点，但功能也相对简单。由于结构简单且实行标准化，立方体卫星的结构可根据需要进行调整。例如形成结构和功能较为复杂的2U或者3U构型。在发射数量方面，立方体卫星近年呈快速增长势头。　　从2003年6月首批6颗卫星发射至201 3年底，世界各国已成功发射100多颗多种构型的立方体卫星，而2014年发射的立方体卫星也超过了100颗。在卫星构型方面，立方体卫星也已经从简单的1U设计逐渐发展出更为复杂的构型，如1．5U、2U、3U和6U等。立方体卫星的低成本、便于发射等特点使其受到广泛的关注，不仅研制和发射数量得以快速增加，还受到NASA、美国国家侦察局(NRO)、军方以及商业公司等多方的关注：NASA在2011年8月发布了“立方体卫星发射倡议” (CSLI)计划，为立方体卫星提供搭载发射机会；NRO从2009年起开展“集群” (Colony)系列技术试验卫星项目；波音公司等也参与了“集群”项目；行星实验室(Planet Labs)公司于201 3年开始建设“星群”(Flock)立方体卫星星座。　　“手机卫星” (PhoneSat)是NASA研制的独特的1 U立方体卫星，采用安卓操作系统，目前开发了PhoneSatl．0和PhoneSat2．0　　两种模型。PhoneSat 1．0由HT C公司生产的Nexus One手机改装，外接了无线电发送器和电池。PhoneSat2．0在性能更好的三星公司Nexus S手机上改装，增配了双向S波段广播天线、三角形太阳能电池板、GPS接收机，装配了磁力矩器和反作用轮等姿态控制机构。　　NASA称， “手机卫星”是有史以来最廉价且最容易造的卫星。2013年4月，首批3颗“手机卫星”发射进入倾角51．6。、高度250km左右的近圆轨道，主要开展遥测数据采集、利用手机摄像头拍摄地球图片、与“铱星”星座进行数据通信等试验项目，3颗“手机卫星”在轨运行近一周。2013年11月19日，Phonesat 2．4卫星发射入轨。该卫星具备无线电传输能力，并且能通过反作用轮控制卫星的姿态，卫星重约1kg，寿命2年，是首颗使用S波段无线电的PhoneSat卫星。PhoneSat 2．5于2014年4月18日升空，测试的仍是无线电通信和定位系统。　　二、美国航天创新项目发展分析　　美国为确保绝对的空间优势，不遗余力地发展各类空间创新技术。近年来，随着美国新型航天系统的不断探索与涌现，其航天装备体系发展带给我们以下启示：　　1．鼓励技术创新，巩固航天强国领先地位　　美国一直将创新技术视为其保持航天强国领先地位的核心优势，大力鼓励发展航天创新技术。其开放的创新思想、完善的体制结构、灵活的运作模式、充足的资金投入，是航天创新技术不断涌现的根本保证。其中，DARPA堪称美军创新预研体系实践的典范。

自1958年成立以来，DARPA以给对手造成技术突袭为宗旨，超越当前的需求，获取那些看上去与当时各军种并无明显联系的新思想，并寻求这些思想应用于未来战场的潜在价值，进行了许多被视为“根本不可能”实现的原始创新，为增强美国的科技实力做出重大贡献。　　近年来，美国几项重要的航天创新项目取得了明显的进展，为美国的航天领域开辟了新的技术途径，注入了新的发展活力，进一步巩固了美国的航天强国地位。　　2．积极创新探索，向弹性、分散式体系转型　　前期，美军空间系统片面追求卫星总体性能，为赢得作战优势奠定了基础，但也导致设计尺寸、重量偏大、成本激增。随着空间安全环境的不断变化，特别是空间对抗的不断加剧，美军认为其空间优势面临严峻挑战，沿用传统的空间系统结构难以应对。为此，美军提出发展空间快速响应能力、微小卫星等计划，探索新型航天发展思路。　　2013年8月21日，美国空军航天司令部发布《弹性与分散式空间体系结构》白皮书。该白皮书针对空间系统日益复杂、成本不断攀　　升、空间威胁日益严峻等问题，提出通过“弹性、分散式”体系结构，提高空间系统对抗、生存能力的新思路。该白皮书是美空间发展转型的权威意见，意味着未来美军空间体系将发生重大转变。　　3．转变发展观念，明确航天项目的低成本思路太空领域是尖端技术领域，大型化、长周期、高成本、高风险是一直以来航天项目的基本模式。　　随着美国航天预算的缩减以及发展观念的转变，航天项目的低成本思路逐渐清晰：一是积极探索“作战响应空间”和SeeMe这类低成本、机动灵活的小型化项目，在满足任务基本需求的前提下，将动辄上亿美元的航天项目经费，控制在千万、甚至是百万美元的级别；二是走军、民、商融合发展的道路，大力发展军民两用技术，积极鼓励私营企业参与航天项目的研发，从而降低成本，加快技术转化，提高效率；三是采用成熟的技术和通用化、标准化、模块化的设计，采购商业现货，最大限度地实现航天经费的高效使用， “立方体卫星”、“手机卫星”是这一思想的典型代表；四是以“凤凰”计划为代表的空间资源再利用的新思想，将促使“卫星模块”、“构型重组”等新概念不断成熟，也可大大减低空间系统研制和部署的费用。　　4．满足战术快响，向战役战术层面延伸　　一直以来，美国空间信息装备所提供的监视、侦察、信号情报、导航、通信、气象、导弹预警等能力，几乎都是由大型卫星所提供，其首要任务是满足美军的战略需求。　　随着美军航天装备体系的不断完善以及发展思路的转变， “构形灵活、机动性强、反应及时”的系统是其当前发展的重点方向。成本低　　廉、具有快速响应能力的空间战术应用系统得到快速发展： “战术星”3能在10分钟内为战场指挥官提供高质量的侦察图像；地面用户能通过手持设备向SeeMe卫星系统提出成像请求。可以看出，美军正逐步将军事航天装备从战略应用向战术应用转型。这是航天装备发展战略的新思路，也是航天装备作战能力发展的新要求。　　5．调整军事空间技术发展策略，探索空间对抗新手段　　由于天基武器的敏感性使发展传统空间攻防技术(尤其是硬杀伤技术)受到各种限制，加上航天经费缩减的大背景，美国在发展军事空间技术方面进行了策略调整。　　政策上，采取以民掩军的发展策略。奥巴马政府的2010版((国家空间政策》中首次将军民合作纳入国家安全空间指南，通过寓军于民发展先进军事空间技术，这也是美军获得创新军事空间能力的主要策略之一。　　途径上，依靠各种创新项目发展新能力、突破共性技术，孵化新型空间对抗技术。美国一些创新项目发展的具有军民两用性的新型技术、共性技术能够为美军提供诸如软杀伤(或可逆攻击)、隐蔽攻击等能力。如DARPA“凤凰”计划中的“服务卫星”具备强大的轨道机动能力，能够捕获商业或军用卫星，同时还可以把它们送入新的轨道。利用这一技术对己方卫星进行操作可以实现在轨维修、组装甚至被动防御，对敌方卫星进行操作则可以实现反卫星能力。

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