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凤凰项目 美国航天的一场“大跃进”?

时间:2015年07月30日 信息来源:本站原创 点击:768 字体:


核心提示:

日前,美国国防部先进研究项目局(darpa)透露,凤凰项目已完成第一阶段任务,科研人员在轨道机器人和卫星构型研究方面取得了一定的进展。

据了解,2011年,darpa启动了凤凰项目。其公开目标是,开发和演示利用退役或废弃的静止轨道卫星上仍可用的部件,组装成新的太空系统。该项目一经公布就引起了世界广泛的关注,而此次这一新消息再次让凤凰项目成为世人关注的焦点。凤凰项目受到关注,并不仅仅因为它是darpa的先进研究项目,更因为它的相关技术具有广泛的用途,可能对人类的太空活动构成深远的影响。

通过凤凰项目,人类将可能做到真正的空间组装,从而建立超大孔径的光学或射频天线,或是大型空间太阳能电站等现在可望而不可及的超大航天器。图为照料飞行器组装航天器模拟图。

太空垃圾再利用 为静止轨道腾地

凤凰项目的着眼点在于宝贵的静止轨道资源。地球只有一条静止轨道,但这条轨道上早已密布世界各国的各种卫星。自20世纪60年代以来,静止轨道上失效、退役和废弃的卫星数不胜数,这些卫星已经变成了太空垃圾,成为正常卫星的最大威胁。虽然人类已经有能力将寿命末期的静止轨道卫星移往轨道高数百公里的卫星墓地,但是静止轨道上的太空垃圾还是太多了。

因此,美国人提出了凤凰项目,准备利用这些卫星上仍能工作的部件组建新的太空系统,从而大大降低人类太空活动的成本。

据了解,人类一直在探索维修和重用这些即将退役或失效卫星的途径,早期曾提出了轨道推进剂加注和轨道维护等想法。凤凰项目在这些想法基础上更进一步,不是使整颗卫星回光返照,而是让卫星的可用部件发挥余热,组成新卫星达到涅槃重生的效果。

而且,从凤凰项目的能力看,它不仅能抓取失效卫星的零部件,也可以用于轨道维护、垃圾回收甚至轨道破坏任务,其实际应用前景要比现有的报废回收等说法要广泛得多。

凤凰项目跳过简单的太空维修大胆跃进,直接利用废弃卫星的可用部件在轨组装新卫星,是它的最大特色,这也符合darpa向来支持前瞻性研究的一贯风格。

搭积木 变废为宝

根据darpa的说明,凤凰项目首先将研制载荷轨道交付系统。另一个重头戏是照料飞行器,照料飞行器是一种携带抓爪机械臂的卫星。当照料飞行器抵达轨道后,与载荷轨道交付系统交会并将其捕获,存放在照料飞行器的工具带上。照料飞行器随后将与废弃的退役卫星交会,利用机械臂将载荷轨道交付系统内部的卫星积木与废弃卫星的可用部件尤其是天线进行组合,最后构成一个新的卫星。

不过,作为一个技术验证项目,凤凰项目的难度很高。

一方面,卫星积木概念过于超前。需要改变卫星的设计和制造概念,使用不同的小型单元实现不同的功能,这对微电子、微机电和其他卫星精密零部件的设计制造水平提出了很高的要求。

另一方面,照料飞行器在技术上面临着巨大挑战。照料飞行器要与无动力和姿控的载荷轨道交付系统交会并完成捕获,与废弃卫星交会和对接,并诊断分析卫星上的部件是否可用,最后将卫星积木部署到可用部件上,很多时候还需将可用的天线从废弃卫星上切割下来与卫星积木共同构成一个新的卫星。也就是说,照料飞行器不仅要具备自主交会能力,还要具备高性能的地面通信能力,同时它要配备一个或多个高性能超灵巧的机械臂,并携带工具安装卫星积木,还需要从卫星本体上切割天线。从设计上说,这个照料飞行器非常复杂,与姿态不确定的废弃卫星交会对接已经具有很高的难度,而远程呈现、在轨装配和切割等操作,也都将挑战人类技术能力的极限。

迎难而上 意在长远

凤凰项目难度这么大,美国为何要“迎难而上”?

据了解,凤凰项目不仅可以重新利用退役卫星上的可用部件,大大提高美国政府和军队太空投资的回报率,还可以使用新技术快速对现有卫星进行升级,扩展商业卫星服务的范围,开拓了新市场。

通过对卫星积木和部件重用等技术的进一步发展,人类将可能做到真正的空间组装,从而建立超大孔径的光学或射频天线,或是大型空间太阳能电站等现在可望而不可及的超大航天器。

通过凤凰项目的研发,人们还将收获可用于卫星的微型抗辐射电子器件、点对点连接的分布式无线机动平台、工业控制的电子系统、工业机器人末端工具和导航控制系统等诸多新技术,对美国保持高端工业的领先地位具有一定的价值。

凤凰项目的出现对我国也不无启示。美国通过darpa这样的组织,以少量资金进行前瞻性研究,不苛求项目的成功,而是尽可能验证未来技术发展的可能,找出技术最可行的路线。

darpa的各种项目实施过程中研发的各种先进技术,即使技术本身并不成熟,也为未来产业升级提供了更多的潜力。如darpa推动出现的阿帕网和动能杀伤技术,前者推动了信息化浪潮让美国经济受惠至今,后者从天方夜谭的神话经历20多年发展成为现实,今天更成为美国甚至全球导弹防御的核心技术。

这种不以成败论英雄的进行前沿性的研究,将是未来航天持续稳定发展的必然需求。(张雪松)

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