“女媧”計劃：面向地球靜止軌道的在軌服務系統

張雅聲， 程文華(. 裝備學院 航天裝備系， 北京 046; . 裝備學院 研究生管理大隊， 北京 046)

“女媧”計劃：面向地球靜止軌道的在軌服務系統

張雅聲1， 程文華2
(1. 裝備學院 航天裝備系， 北京 101416; 2. 裝備學院 研究生管理大隊， 北京 101416)

地球靜止軌道(GEO)因其良好的軌道特性，在人類航天活動中扮演著重要的角色。隨著GEO資源的日益緊張，GEO碎片的清理工作刻不容緩。針對GEO帶的空間碎片清理，提出了名為“女媧”的GEO在軌服務計劃，利用在軌回收、3D打印、在軌組裝等關鍵技術，實現基于空間碎片的在軌制造能力，并從任務需求、任務使命、任務流程、系統組成以及衛星系統概念設計等方面，對“女媧”計劃進行了系統分析。

3D打印；在軌制造；在軌組裝；在軌服務；模塊化設計；空間碎片

隨著人類太空活動的日益頻繁和航天科技的迅猛發展，太空目標數量迅速增多。而以地球靜止軌道(The Geostationary Orbit,GEO)為代表的高軌，因其良好的對地靜止特性，成了世界各國爭相搶奪的軌道資源[1]。由于GEO衛星相對于地面的某一點是靜止不動的，地面站很容易便可實現對其追蹤，這就為很多衛星應用提供了便利，GEO也在通信、導航、預警、氣象等民用和軍用領域發揮著越來越重要的作用。因此，GEO衛星的損壞和失效將造成巨大的經濟損失和極大的社會影響。

本文提出名為“女媧”的GEO在軌服務計劃。女媧氏是中華民族的人文始祖之一，其摶土造人，煉石補天的故事激勵著一代代的中華兒女。本文設計的GEO在軌服務計劃，取名“女媧”，突出創造、變廢為寶的思想，并且在軌維修和在軌制造對應于“補”，GEO資源也對應于“天”，相得益彰。“女媧”計劃旨在建立一個天基微小衛星制造系統，該系統以GEO帶上的空間碎片為主要目標，利用在軌回收、3D打印、在軌組裝等關鍵技術，實現空間碎片批量處理和基于空間碎片的在軌制造能力，對于提高我國高軌在軌服務能力具有重要意義。

1 “女媧”計劃需求分析

“女媧”計劃是以GEO帶上的空間碎片為主要目標，通過將碎片分解成3D打印材料，利用3D打印技術，實現在軌制造的能力。而針對GEO目標的在軌服務主要包括兩大類：GEO環境的在軌保護和GEO衛星資源的在軌服務。下面從這兩方面進行“女媧”計劃的需求分析。

1.1 GEO環境在軌保護的需求

通常認為理想的GEO是軌道傾角為0°、軌道半徑為42 164 km的圓軌道，軌道周期與地球自轉周期相同；嚴格意義上，太空只有一條GEO[2]。由于運行在GEO上的衛星相對地面上任何一點都是靜止不動的，這就給對地觀測、地面測控等帶來了諸多便利。因此，GEO是非常寶貴的太空資源。然而，通常情況下單顆GEO衛星占有的赤道經度范圍為±0.1°，也就是說，GEO理論上最多能容納1 800顆衛星[3]。自1963年首顆GEO衛星Syncom 2發射以來，總共有1 400多個GEO物體可獲得其軌道參數，其余還有很多已知或未知的空間碎片無法獲得軌道參數。由于GEO不存在大氣阻力，這1 400多個物體(未來這一數字還會增加)都長期滯留在GEO軌道附近，這樣就導致GEO環境越來越“擁擠”。對于無法進行經度保持控制的空間碎片，由于地球非球形攝動的作用，將向最近的天秤動軌道平衡點(75.1°E，105.3°W)發生經度漂移[4]；隨后，會在此平衡點附近作往復振蕩運動(如圖1所示)，這樣就會導致這一區域比其他區域更加擁擠。

對于GEO來說，空間碎片主要是GEO范圍內或者GEO附近的衛星碎片、火箭上面級和不可控的廢棄衛星。GEO上的空間碎片、正常運行的衛星及軌道環境之間存在相互影響的關系，如果不采取人為措施，一旦發生碰撞，這種關系將在GEO自然特性的作用下，形成一種與“凱斯勒癥候群”(Kessler Syndrome)類似的惡性循環[5-6]，造成不可挽回的損失，圖2給出了GEO衛星相撞2 d后的碎片擴散情況。

a) 地球非球形攝動引起的經度漂移變化

b) 地球靜止軌道物體分布圖1 地球非球形攝動引起的經度漂移變化及相應的物體分布(2015-04)

圖2 GEO衛星相撞2 d之后碎片擴散情況仿真[7]

1.2 GEO衛星資源在軌服務的需求

以2016年1月版的憂思科學聯盟衛星數據庫[8](Union of Concerned Scientists Satellite Database)為主要數據來源，對GEO衛星資源進行分類統計。截至2016年1月1日，共有1 381顆衛星在軌運行，其中，低軌(Low Earth Orbit,LEO)衛星759顆，GEO衛星493顆，中軌(Medium Earth Orbit,MEO)衛星92顆，橢圓軌道衛星37顆。分別按照使用者和使用目的對493顆GEO衛星進行分類，其組成如圖3和圖4所示。

圖3 GEO衛星按照使用者分類(截至2016-01-01)

圖4 GEO衛星按照使用目的分類(截至2016-01-01)

另一方面，GEO衛星在壽命終止前，可能由于GEO環境惡化、自身異常等原因而發生故障，而GEO的特殊性使得地面很難對這些故障進行直接有效的處理。若重新發射一顆衛星進行替代，無論是從經濟還是軌道資源的角度來講，都極其浪費。如果可以通過在軌服務來對現有衛星進行在軌維護、延壽，甚至是升級、組裝，這樣不僅可免去發射一顆衛星所需的高昂費用，還可使得一些現有發射能力無法完成的GEO任務成為可能。由此，GEO衛星在軌服務的現實需求包括：降低GEO衛星失效的風險；減少進出、利用GEO的成本；提升GEO衛星性能；改善GEO任務的靈活性；增加GEO任務的可拓展性。此外，GEO衛星在軌服務也可以從根本上減緩GEO太空物體數量不斷增加的趨勢，這對于保護GEO環境也具有重要意義。

2 “女媧”計劃系統設計

2.1 “女媧”計劃任務使命

“女媧”計劃旨在建立一個天基微小衛星制造系統，該系統以GEO帶上的空間碎片為主要目標，利用在軌回收、3D打印、在軌組裝等關鍵技術，實現基于空間碎片的在軌制造能力，具有前瞻性、先導性、探索性和顛覆性。“女媧”計劃至少應該具備以下幾種任務使命：

1) 空間碎片重復利用。應能在識別空間碎片材料的基礎上，針對可重復利用的材料，通過材料分解技術實現對空間碎片的重復利用。

2) 空間碎片批量移除。應能對不能重復利用的空間碎片進行批量壓縮打包處理，將碎片壓縮包運送回地面，或者拖到更高軌道上。

3) 衛星部件在軌制造。應能夠利用分解碎片后的材料，通過3D打印技術，實現衛星部件的在軌制造，為微小衛星在軌組裝和故障衛星修復提供支持。

4) 微小衛星在軌組裝。應能利用在軌制造的衛星部件以及攜帶的有效載荷，結合具體任務，在軌組裝成微小衛星。

2.2 “女媧”計劃任務流程

女媧計劃任務流程示意圖，如圖5所示。

圖5 “女媧”計劃任務流程示意圖

1) “女媧”星發射入軌并進行軌道機動，進入墳墓軌道。“女媧”星在墳墓軌道運行時，對墳墓軌道空間碎片進行材料識別，根據空間碎片所具有的材料對其進行分類編號。

2) “女媧”星接收到地面指控中心發來的打印指令后，根據3D打印模型所需要的材料，按編號尋找出滿足材料要求的空間碎片，并機動到選定碎片周圍。

3) “女媧”星接近空間碎片，并釋放子衛星對空間碎片進行最終逼近。

4) 子衛星利用機械臂對空間碎片進行捕抓回收(或者切割其有效載荷)，并返回中心衛星平臺。

5) “女媧”星對回收的空間碎片進行拆分并制成3D打印墨盒，通過在軌打印，制造出模塊化微小衛星部件，并進行必要的在軌組裝。

6) “女媧”星釋放攜帶新型微小衛星或者衛星部件的子衛星，子衛星機動到目標點，釋放小衛星，并返回中心平臺；或者與故障衛星交會，利用機械臂捕抓故障衛星并利用打印的衛星部件對其進行維修。

2.3 “女媧”計劃系統組成和功能

“女媧”計劃系統由一個中心平臺和若干子衛星構成。其中，中心平臺主要負責材料分解、3D打印、在軌組裝等，子衛星負責收集碎片、運輸衛星組件、在軌拆卸以及在軌維修等。在進行分析時，將系統功能分為基本功能和任務功能兩部分。相應地，也可以將系統分為兩層——基本屬性層和任務屬性層。

2.3.1 中心平臺

從任務流程來看，中心平臺涉及功能包括：接收碎片、分解碎片、存儲原材料、3D打印、在軌組裝、釋放小衛星、子衛星停泊、軌道機動等，其衛星功能分層如表1所示。

表1 “女媧”星中心平臺兩層衛星功能分層

2.3.2 子衛星

從任務流程來看，“女媧”星子衛星的功能包括：捕抓碎片、運輸衛星組件、在軌拆卸、在軌維修以及軌道機動等。同樣進行功能分層，如表2所示。

表2 “女媧”星子衛星兩層衛星功能分層

3 衛星系統概念設計

3.1 中心平臺設計

3.1.1 設計思路

系統分成基本屬性層和任務屬性層兩部分。基本屬性層的設計可參照傳統衛星平臺進行設計，任務屬性層采用工業流水線方式進行設計，將衛星任務屬性層分成六大區域，分別為碎片收納區、碎片分解區、材料存儲區、3D打印區、在軌組裝區和臨時存儲區。其中，碎片收納區接收子衛星捕抓的空間碎片并將碎片傳送到碎片分解區；碎片分解區將碎片分解成可以進行打印的原材料，并存儲到材料存儲區當中；材料存儲區專門存放3D打印材料；3D打印區從材料存儲區獲取材料進行衛星器件打印；打印好的衛星器件通過傳送裝置傳送到在軌組裝區進行在軌組裝；臨時存儲區主要用來存放組裝好的微小衛星，等待子衛星取走。

3.1.2 概念設計模型

對照上面的設計思路，任務屬性層的概念結構圖如圖6所示。

圖6 “女媧”計劃中心平臺任務屬性層概念結構圖

如圖，任務屬性層采用6個立方體艙室拼接成一個在軌制造流水線。在其上方再加上基本屬性層，就得到了“女媧”計劃中心平臺的概念設計，如圖7所示。

圖7 “女媧”計劃中心平臺概念設計

3.2 子衛星設計

3.2.1 設計思路

由2.3.2節分析可知，子衛星的任務屬性層涉及捕抓碎片、在軌拆卸、運輸衛星組件、在軌維修等功能。因此，子衛星任務屬性層應該包括兩部分：(1) 空間碎片收納部分；(2) 在軌服務模塊。

3.2.2 概念設計模型

1) 在軌服務模塊概念設計。在軌服務模塊由于需要進行在軌捕抓、拆卸、維修等，所以至少需要3個機械臂結構及其他相關載荷器件，其概念結構圖如圖8所示。當子衛星處于待工作狀態時，機械臂處于收攏狀態；而當子衛星進行工作時，機械臂彈出，進行相應在軌操作。

b) 工作狀態圖8 “女媧”計劃子衛星在軌服務模塊概念結構圖

2) 衛星組件/空間碎片收納室概念設計。衛星組件/空間碎片收納室應滿足與中心平臺的無縫傳接，收納室位于子衛星中部，由一個驅動軸驅動。未工作時，收納室處于中部，未旋轉；當子衛星對碎片進行捕抓收納時，驅動軸驅動收納室旋轉，機械臂將碎片放入收納室中，如圖9所示。

a) 未工作狀態

b) 工作狀態圖9 “女媧”計劃子衛星收納室概念結構圖

3) 子衛星概念設計。加上基本屬性層設計，子衛星概念設計圖如圖10所示。

圖10 “女媧”計劃子衛星概念設計圖

3.3 新型微小衛星設計

3.3.1 設計思路

微小衛星應該具有小型化、快速化、模塊化、適合3D打印、在軌組裝等特點。為避免各種電線數據線，本文設計的新型微小衛星采用模塊化的立方體衛星，對各個子系統實行模塊化封裝，模塊和模塊之間采用插拔式結構，并利用我國古建筑的木構榫卯[9]結合技術來提升組件的可打印性和可組裝性。

3.3.2 連接結構設計

1) 插拔結構設計。插拔結構涉及模塊與模塊之間的能量傳輸、數據傳輸等，是一個多通道連接問題，對此在進行設計時，采用以下2種插拔結構，如圖11所示。

a) 插拔結構一

b) 插拔結構二圖11 插拔結構概念設計圖

2) 桁架結構設計。在進行微小衛星桁架結構設計時，借鑒我國優秀傳統文化古建筑的木構榫卯結合技術來替代螺絲螺母，增強結構的可打印性和可組裝性。榫卯的功能就在于使得千百件獨立、松散的構件緊密結合成一個符合設計要求和使用要求的，具有各種荷載能力的完整的結構體。

3.3.3 概念設計模型

一個模塊化的衛星設計通常包括：電源模塊、指令與數據處理模塊、姿態確定與控制模塊以及有效載荷。這其中，只有有效載荷是隨任務變化的，其他部分都是可以通用的。對新型微小衛星進行模塊化概念設計時，采用立方體衛星分層思路，分層如圖12所示。

圖12 微小衛星分層示意圖

圖12中，電源模塊和指令與數據處理模塊位于中間，有效載荷和姿控模塊由于其工作需要，位于微小衛星外側。分層后，以此進行微小衛星概念設計，相應概念設計爆炸圖如圖13所示。

圖13 微小衛星概念設計爆炸圖

4 結 束 語

本文針對GEO提出了“女媧”計劃空間碎片的在軌服務系統，首先對“女媧”計劃進行了需求分析，之后給出了“女媧”計劃的任務使命、任務流程，最后對“女媧”計劃的衛星系統進行了概念設計。與國內外其他在軌服務系統相比，“女媧”計劃提出了一種新的GEO空間碎片處理方法；改變了傳統衛星制造模式，降低成本，提高速度；并借鑒我國傳統優秀文化古建筑的榫卯結合技術，給出了一種更具可打印性和可組裝性的微小衛星概念設計。下一步的研究工作是對計劃中涉及的任務流程進行詳細分析，尤其對其中的關鍵技術進行梳理歸納，給出技術成熟度報告，為計劃的后續研究打好基礎。

References)

[1]梁斌,徐文福,李成,等.GEO在軌服務技術研究現狀與發展趨勢[J].宇航學報,2010,31(1):1-13.

[2] 李恒年.地球靜止衛星軌道與共位控制技術[M].北京:國防工業出版社,2011.

[3] 李恒年,高益軍,余培軍,等.GEO共位控制策略研究[J].宇航學報,2009,30(3): 967-973.

[4] 王正才,邢國華.地球靜止軌道手冊[M].北京:國防工業出版社,1999: 59-64.

[5] KESSLER D J,JOHNSON N L,LIOU J C,et al.The Kessler syndrome: implications to future space operations[C]//33rd Annual AAS Guidance and Control Conference.Breckenridge,Colorado：AAS Publication，2010.

[6] 陳道明,張照炎.如何處置靜止軌道上廢棄的衛星[J].中國空間科學技術,1990(3): 67-68.

[7] OLTROGGE D,FINKLEMAN D.Consequences of debris events in geosynchronous orbit[C]//AIAA/AAS Astrodynamics Specialist Conference and Exhibit.Honolulu,Hawaii：AIAA，2008.

[8] Union of Concerned Scientists.UCS satellite database [DB/OL].(2016-01-15)[2016-11-15].http://www.ucsusa.org/global_security/space_weapons/satellite_database.html.

[9] 馬炳堅.中國古建筑木作營造技術 [M].2版.北京:科學出版社,2010.

(編輯：李江濤)

Nu Wa Project: On-orbit-service System for GEO

ZHANG Yasheng1， CHENG Wenhua2

(1. Department of space equipment, Equipment Academy, Beijing 101416, China； 2. Department of Graduate Management, Equipment Academy, Beijing 101416, China)

The geostationary orbit (GEO) plays an important role in human spaceflight for its perfect orbital characteristics. With the GEO resources becoming more and more limited, it is urgent to clean up GEO debris. In view of the space debris on the GEO, a GEO on-orbit service plan “Nu Wa” is proposed to realize the on-orbit manufacturing capability based on space debris with the on-orbit recovery, 3D printing, on-orbit assembly and other key technologies. Besides, the paper also makes a systematic analysis of the plan from the aspects like task demands, mission, task flow, system composition and conceptual design of satellite system.

3D printing; on-orbit-manufacture; on-orbit-assembly; on-orbit-service; modular design; space debris

2016-12-13

張雅聲(1974—)，女，教授，博士生導師，主要研究方向為航天任務分析與設計。13521219203@139.com