美國太空高新裝備的發展與前景展望

王友利 （北京航天長征科技信息研究所）

美國太空高新裝備的發展與前景展望

王友利 （北京航天長征科技信息研究所）

Development and Prospect of U.S. Space New High-tech Device

太空是關系國家戰略安全的高邊疆。早在20世紀60年代初期，時任美國總統肯尼迪就公開宣稱：“誰能控制太空，誰就能控制地球”。今天，太空的軍事、政治、民用、商業價值愈發凸顯，主要航天強國均大力發展空間裝備，謀求更好地實現進入太空、利用太空、控制太空的目標。

作為美國從事國防技術預先研究的重要機構，國防高級研究計劃局（DARPA）在太空領域開展了大量的技術探索，從之前的“軌道快車”（Orbital Express）、“系統分離模塊航天器”（F6）項目、“獵鷹”（FALCON）計劃，到現在的試驗型太空飛機－1（XS－1）項目、“鳳凰”（Phoenix）項目、“靜止軌道衛星機器人服務”（RSGS）項目等，這些高新技術與裝備的研發有力地支撐美軍空間力量的轉型發展，也預示著未來空間領域新的技術發展動向。

1 國防高級研究計劃局在太空領域的發展構想

國防高級研究計劃局成立于1958年，在美國國防部下屬眾多機構中具有獨特的地位，它獨立于各軍種，主要責任是感知軍方的未來需要，重點關注高風險、高回報、對各軍種聯合作戰有巨大促進作用的、對推動軍事發展有重大影響的技術領域，保持美國科技研發的戰略領先地位。成立至今，國防高級研究計劃局主持開展了人造衛星、導彈防御、隱身飛機、無人機、高超聲速武器、因特網等對美軍裝備發展具有重大影響的預研項目，被譽為美國國防部的“技術引擎”。

創新性的太空系統一直是國防高級研究計劃局關注的重點。它成立的初衷正是為了應對蘇聯發射首顆人造地球衛星對美國帶來的沖擊和挑戰。確保美軍在太空領域的優勢地位，實現自由進出太空、創新太空操作和應用能力、保護美國太空系統的安全，始終被國防高級研究計劃局列為一項重要任務。

隨著各國航天力量的快速發展，國防高級研究計劃局認為，美國當前的太空能力也面臨著嚴峻的挑戰，主要表現為當前航天發射的靈活性不足、衛星成本不斷增長、空間態勢感知能力不足。這些挑戰將制約美國未來在太空領域的優勢地位，對此，國防高級研究計劃局有針對性地提出提升太空系統魯棒性的發展構想。

美國太空力量的主要問題及未來的發展構想

2 國防高級研究計劃局現階段開展的典型太空高新項目

圍繞上述構想，近年來，國防高級研究計劃局在進入太空、在軌操作和空間態勢感知領域開展多項創新性的研究項目，有力地推動太空高新技術的發展。

進入太空項目

（1）試驗型太空飛機－1項目

2013年10月，國防高級研究計劃局啟動“試驗型太空飛機”項目，接替空軍繼續研發火箭動力的可重復使用運載器，旨在進一步發展低成本、快速響應進入太空和全球到達的相關技術與操作。

試驗型太空飛機－1項目將通過地面試驗驗證關鍵技術，隨后制造一架驗證機，針對以下目標開展飛行檢驗：①10天內執行10次飛行；②完成馬赫數超過10的飛行；③將1.36～2.27t的近地軌道運輸成本降至目前的1/10。該項目的一項關鍵目標是驗證下一代高速飛行器的關鍵技術，支持新的軍事用途，包括全球偵察、全球運輸、小型快速響應進入太空和經濟可承擔的航天運輸。預計，該項目的成果可能轉移給空軍、海軍以及商業部門。

國防高級研究計劃局近年開展的典型太空高新項目

這一項目分為3個階段。第1階段主要完成飛行器的方案設計，共有3個團隊參與：諾格公司與維珍銀河公司的合作團隊、波音公司與藍色起源公司的合作團隊以及XCOR航空航天與麥斯登太空系統公司的合作團隊，各家計劃在2016年7月22日提交最終設計方案。

第2、3階段將完成飛行器的詳細設計、制造和飛行試驗，驗證全尺寸的重復使用樣機，至少將400kg的載荷送入軌道。國防高級研究計劃局計劃在2017年完成飛行器設計制造，2018年實現首飛，并針對項目各個目標提出了具體的性能指標和最低要求。

（2）“空中發射輔助太空進入”項目

“空中發射輔助太空進入”項目是國防高級研究計劃局提出的空中發射小運載方案，旨在發展快速、低成本、高可靠性的近地軌道運輸能力，項目有4個主要目標：

一是更加經濟地進入太空。將單次發射成本控制在100萬美元（包含發射場費用）以下。

二是提高快速響應進入太空能力。將從下達指令到發射的時間縮短到1天。

三是擺脫固定發射場的條件約束。利用空基發射的特點和快速任務規劃工具，能夠更加靈活地選擇發射方向和地點。

四是顯示系統的彈性?！翱罩邪l射輔助太空進入”項目計劃驗證在12h內從一個機場轉移到另一個機場執行發射操作的能力，主要應對初始機場因某些因素（如天氣）變得不可用的情況。

試驗型太空飛機－1項目的性能指標和最低要求

“空中發射輔助太空進入”系統采用空軍的F－15編隊發射，最大程度地利用載機的能力。國防高級研究計劃局期望將項目成果轉移給空軍。

據2015年12月的報道，由于火箭燃料試驗中出現安全性問題，國防高級研究計劃局取消原計劃在2016年開展的飛行試驗。2016年，“空中發射輔助太空進入”項目主要評估備選的推進劑和發射系統。

火箭設計采用氮-氧化物-乙炔多組元推進劑，與傳統的將燃料和氧化劑分離的方案相比，可使推進系統更小、價格更低。但試驗表明多組元推進劑并不穩定、存在危險。另外，商業運載火箭供應商在低成本進入空間領域的快速發展，也促使國防高級研究計劃局做出中止項目的決定。

在軌操作項目

（1）“鳳凰”項目

“鳳凰”項目旨在驗證地球靜止軌道的機器人在軌服務技術和衛星重構技術，實現更加靈活、更具效費比的太空操作，以更低的成本制造新的太空系統。在設想的試驗計劃中，“鳳凰”計劃將使用在軌操作機器人將位于廢棄軌道或已退役的衛星上的天線設備拆卸下來，并以此為基礎建造一個新的太空通信系統，更為經濟地為作戰人員提供全天候、全球持續的通信能力。

“鳳凰”演示驗證系統主要由三部分構成：服務星、細胞星和高軌載荷輸送系統。

1）服務星。安裝有多個機械臂的高軌服務機器人，具備高度的自主控制能力和遠程遙控能力。服務星能夠抓捕裝載細胞星的高軌載荷輸送系統和失效衛星，拆解失效衛星的有用部件，安裝細胞星，組裝成一顆新衛星，并帶著新衛星進行軌道轉移。此外，服務星還能抵近故障航天器拍攝高清圖片，捕獲航天器協助其變軌，輔助故障航天器執行任務。

2）細胞星。高度集成的模塊化衛星，單顆細胞星具有特定的衛星分系統或部件級功能，如姿態控制、射頻轉發等。單顆細胞星具有相同的構型，可根據任務需求像搭積木一樣組裝成具有特定的一種或多種功能的細胞星。細胞星技術的發展將創造一種新的衛星形態，實現衛星的在軌制造，將成本降低10倍。目前，細胞星技術基本成熟，將首先在近地軌道開展演示驗證。

3）高軌載荷輸送系統。該系統負責運送細胞星及相關在軌操作工具，通常通過有效載荷寄宿的方式，由商業通信衛星攜帶至地球靜止軌道。高軌載荷輸送系統旨在充分利用現有的商業發射市場，實現“太空快遞”，提高將小質量的載荷送往靜止軌道的頻率。

“鳳凰”項目的潛在用戶是美國空軍和商業衛星服務商。項目第一階段研究工作已取得顯著成果，驗證了機器人工具和裝配技術的可行性，驗證了基于細胞星制造新衛星的方案。后續，國防高級研究計劃局希望聯合商業公司和政府共同投資支撐項目的在軌演示驗證。2017財年，國防高級研究計劃局計劃針對細胞星開展軌道低地球軌道（LEO）試驗。

（2）“靜止軌道衛星機器人服務”項目

為進一步推動地球靜止軌道的機器人自主服務能力的發展，國防高級研究計劃局新近提出“靜止軌道衛星機器人服務”項目，作為“鳳凰”項目的衍生產物，尋求與現有的衛星運營商合作，攜帶充足的燃料開展為期數年的高軌服務驗證。

2016年5月，國防高級研究計劃局啟動“靜止軌道衛星機器人服務”項目招標工作，招標商業公司研制并運行能夠執行空間服務操作的自主服務航天器（RSV）平臺，國防高級研究計劃局將主要研制自主服務航天器的機器人有效載荷，美國海軍試驗室則協助平臺與有效載荷的集成以及主要的技術接口。該項目計劃于2020－2021年開展自主服務航天器的在軌飛行試驗。

“靜止軌道衛星機器人服務”項目計劃執行政府演示任務和商業服務任務。國防高級研究計劃局希望通過該項目實現的服務任務包括：

1）檢查。合作式診斷、檢查功能異常的地球靜止軌道航天器。

2）維修。太陽電池陣、天線展開故障等機械異常維修。

3）轉移。協助軌道機動，包括將客戶航天器轉移至新的工作軌道或送至處理軌道、輔助性能差的推進系統、短期延長航天器壽命等。

4）升級。為運行的合作航天器安裝升級包，提供新功能。

空間態勢感知項目

（1）“太空監視望遠鏡”

“太空監視望遠鏡”是一種先進的地基光學搜索跟蹤望遠鏡，擁有3.5m的大孔徑、采用彎曲焦平面陣列探測器技術來提供快速的廣域搜索覆蓋。與傳統地基監視望遠鏡相比，太空監視望遠鏡的探測靈敏度和覆蓋率提高一個數量級，只需幾秒鐘就可搜索與美國本土面積近似的空間區域；在夜間，太空監視望遠鏡可對1/4的GEO軌道區域進行多次勘查，數據采集速度可提高10倍以上，是目前全球最大、靈敏度最高的單孔徑望遠鏡。

2012年，國防高級研究計劃局完成對“太空監視望遠鏡”的測試和評估，之后，國防高級研究計劃局直接與空軍航天司令部（AFSPC）合作開展對其軍用有效性評估研究。太空監視望遠鏡現已交付空軍航天司令部。近期，空軍航天司令部宣布已與澳大利亞政府合作，計劃將太空監視望遠鏡部屬到澳大利亞，由雙方聯合運行；美國、澳大利亞正在開展新站點的建設工作。部署完成后，該望遠鏡能夠觀測目前無法監視的目標和軌道。太空監視望遠鏡將把觀測的信息傳送給美國的太空監視網絡，該網絡負責觀測并編目空間目標，并辨識近期可能威脅在軌目標的潛在太空碰撞。太空監視望遠鏡還將繼續為美國航空航天局（NASA）和科學團體提供瞬時的監視數據，例如探索超新星，以及近地小行星的潛在威脅。

（2）“軌道展望”項目

“軌道展望”項目旨在驗證一種更具效費比的方法，提高太空態勢感知信息的數量和質量；項目將尋求充分利用各種可行的、低成本的設施來提高對太空目標的覆蓋范圍和持續跟蹤能力，而不是建造更多的專有設備。

當前，美國太空態勢感知系統主要采用政府發展的專有傳感器，在現有體系下要提高太空態勢感知的范圍和精度，必然導致高額的成本。

“軌道展望”項目將尋求從一些新的渠道獲取太空監視數據，這些渠道包括：商業的跟蹤監測設備、高校的監測設備，以及一些國際伙伴提供的太空數據?！败壍勒雇表椖繉⒔⑾鄳牧鞒虂頇z驗信息的可靠性和數據質量；并發展信息描述技術、信息展示技術和預警技術，為作戰人員提供關鍵的太空信息。

3 國防高級研究計劃局太空高新技術的前景展望

國防高級研究計劃局太空高新項目的發展將引領未來太空技術的發展方向，提升未來美國太空系統的魯棒性。

通過發展快速響應進入空間和重復使用天地往返技術，國防高級研究計劃局計劃實現更為便捷、高效、低成本的航天運輸能力。未來，國防高級研究計劃局計劃打造類似當前“民用航空”的“民用航天運輸”產業，真正將太空旅行變得經濟、可行；同時支撐美國進一步開展深空探測任務，并在其他星球上建設基礎設施，實現國家戰略和利益的拓展。

以發展實時的空間態勢感知能力為目標，未來,國防高級研究計劃局還將完成實時的空間信息融合、獲取不同來源的數據、采用自動算法為具體任務提供決策輔助、開發3D可視化的操作平臺，最終打造出類似當前“航空交通管制”的“太空交通管制”系統，為決策者提供實時了解、評估太空環境的重要工具。通過有效管理，應對未來在軌衛星數量日益增多帶來的問題，保障太空系統的安全；同時也為未來的航天發射任務，太空操作、維護任務提供更加全面的信息支持。

空間機器人技術在未來的在軌服務中有著巨大的應用前景，將進一步增強美國推動空間系統體系結構轉型的信心。國防高級研究計劃局計劃首先實現GEO軌道的空間機器人自主操作能力，進而聯合商業合作伙伴拓展空間機器人的服務應用范圍，實現自主的、按計劃的燃料補給，發展出從低地球軌道到地球靜止軌道的空間拖船；并帶動小型化、模塊化航天器技術的發展，降低空間系統的冗余度、減輕發射質量，開展在軌裝配測試，為最終大型航天器、結構件、乃至空間基地的在軌制造、集成鋪平道路，實現太空系統體系結構的轉型。

4 結束語

國防高級研究計劃局的使命是通過具有前瞻性的關鍵科技研發和創新來保持美國軍隊在軍事技術方面的領先地位，使美國免遭技術突襲，同時謀求壓制敵方的技術優勢。

在太空領域，國防高級研究計劃局敏銳感知未來太空攻防作戰的需求，啟動一系列具有創新性的研究項目，有力地支撐了美國未來太空力量的轉型發展。這種以需求為導向，以技術為支撐，以創新為目標的預研發展模式是國防高級研究計劃局成功的關鍵，值得我們很好地借鑒和思考。

創新項目的實現離不開長期的技術積累和繼承。50年來，國防高級研究計劃局開展了大量的太空預研項目，從中獲得的技術成果和研究經驗為后續項目的研發奠定了堅實的基礎。以“鳳凰”項目為例，國防高級研究計劃局在2007年便通過“軌道快車”計劃驗證了對近地軌道目標的自主接近、捕獲技術；此外，國防高級研究計劃局還在通用軌道修正航天器（FREND）項目下重點研究用于空間機器人的機械臂技術。這些項目的技術積累促成“鳳凰”項目的順利實施。

太空項目存在著高風險、高成本的特點，一直以來，美國十分注重在太空領域的軍民式融合發展，利用民用、商業資源為太空軍事裝備的發展服務，同時積極推動太空軍事技術向民用、商業領域轉化，提升經濟利益和社會效益。在當前和未來的太空軍事裝備預研方面，軍民融合已經成為一個重要趨勢。在“軌道展望”項目中，國防高級研究計劃局開始研究如何集成商業類和科研類的態勢感知設備，構建更加完善的態勢感知網絡。在“鳳凰”項目中，國防高級研究計劃局計劃借助衛星運營商的力量，開展在軌測試。在未來太空領域的發展暢想中，國防高級研究計劃局已經考慮將軍事太空高新技術應用到民用和商業領域，真正實現“以民助軍、以軍帶民”的良性互動發展機制。