軌道轉移飛行器在互聯網巨型星座的部署服務應用

牛旼 寧少杰 包莉莉（北京未來宇航空間科技研究院有限公司）

1 引言

隨著衛星互聯網技術的發展，互聯網衛星空間節點規模呈現出多層次、大規模部署的特點，所以，多層星座系統必是未來星座的發展趨勢。多層星座系統的空間段由不同軌道高度的衛星組成，不同系統可有不同的組合，主要軌道高度為400～2000km。截至 2023年5月，在軌運行衛星總數已超過10000顆，其中，僅太空探索技術公司（SpaceX）的“星鏈”（Starlink）衛星就接近4500顆。隨著互聯網衛星發展競爭愈發激烈，星座衛星數量也將劇烈增長。中國近地軌道星座計劃也相繼啟動，包括中國衛星網絡集團、銀河航天等公司，星座規劃總數也已超過15000顆。但是，低軌衛星空間軌道資源有限。國際電信聯盟（ITU）對軌道資源采取“先占先得”，且目前未形成正規的協調機制，導致軌道空間資源競爭激烈。

巨型星座要實現衛星壽命期內完成組網，需一次性發射幾十顆衛星。每顆衛星通常有著不同的軌道高度和相位。運載火箭只能提供一次性同軌位釋放，所以星座衛星需依靠運載上面級或自身攜帶推進系統完成最后1km的軌道部署。

其次，巨型星座常規化運營過程中，也存在不同軌位衛星故障，需單獨再發射衛星進行更換。而運載火箭同軌位釋放的特點，將不能適應巨型星座多星異軌的補網需求。

隨著互聯網衛星巨型星座建設的增加，星座衛星對快速入軌、多星多軌部署、補網部署等軌道服務需求隨之激增。軌道轉移飛行器采用靈活和開放的設計思路，即滿足星座衛星的快速部署需求，也可以在部署任務結束后提供可持續性的在軌增值服務，可更適用于未來巨型星座建設和運營。

2 互聯網巨型星座部署現狀

“星鏈”和“一網”（OneWeb）星座是目前建設較為完善的巨型星座典型代表。其他星座建設（如：“中國星網”“吉利”等星座）多處于組網建設的設計或探索的初期階段。所以本文主要針對這兩個巨型星座的部署現狀及部署方式展開分析。

“星鏈”星座部署

“星鏈”是SpaceX公司的一個項目，計劃于2019—2024年在太空搭建由1.2萬顆衛星組成的“星鏈”網絡，其中1584顆部署在地球上空550km處的近地軌道。“星鏈”衛星采用獵鷹-9（Falcon-9）運載火箭發射，單次發射60枚v1.0版本衛星或53顆v1.5版本衛星。截至2023年5月，“星鏈”衛星總計發射近4500顆衛星，并計劃2027年部署完成7518顆衛星。“星鏈”衛星共設計二代，“星鏈”一代衛星質量約為260kg，二代衛星質量約為1250kg，衛星均攜帶電推進系統，可自行實現軌道調整。

SpaceX公司具備較完善的研發制造能力，所以“星鏈”衛星整體采用了較為革新的設計思路。衛星扁平化疊層構型更便于運載火箭批量化的發射部署，獵鷹-9運載火箭單次可發射約60顆衛星。“星鏈”部分Ku和Ka頻段衛星規劃部署在1100km軌道，但目前發射的“星鏈”衛星仍是部署在350～500km近地軌道。所以在衛星入軌釋放后，主要通過衛星自身配置的電推進系統持續工作1～6個月，完成最終的相位和高度調整。

“一網”星座部署

“一網”星座計劃共648顆衛星，目標與“星鏈”類似，為世界各地的人提供全球衛星互聯網寬帶服務。2019年，“一網”使用俄羅斯聯盟ST-B（Soyuz ST-B）運載火箭將計劃中的前6顆發射到近地軌道。2020年2月，“一網”星座首批34顆衛星發射入軌。另有34顆衛星于3月進入軌道，隨后又進行了多次發射。目前，“一網”是第二大在軌衛星星座。“一網”衛星質量約為150kg，衛星在12個近極軌道平面上運行，軌道高度約1200km。

“一網”星座相較于“星鏈”，采用更為常規的衛星設計思路，衛星整體構型為類多面體結構，便于供應商交付各衛星部組件后的系統集成測試。所以衛星也很難像“星鏈”一樣，大批量化的疊層發射。其次，為避免目前500km范圍的軌道空間擁擠，“一網”星座多數部署在1200km軌道高度上。綜合考慮，“一網”星座單次發射36顆衛星，均采用了上面級進行軌道機動，提升有效運力，并可滿足衛星多軌位部署需求。

3 互聯網巨型星座軌道部署需求

本文以“星鏈”和“一網”兩大巨型星座建設部署需求為典型案例，開展了深入分析，推廣到后續的互聯網巨型星座軌道部署，主要存在以下幾個方面軌道部署服務需求。

提升運載火箭有效運力，降低入軌成本

運載火箭采用一次性點火入軌并釋放衛星載荷的方式，會隨著運載火箭入軌的軌道高度提升，有效運力快速降低。增加單獨的多功能上面級后，運載火箭在低軌道釋放上面級/衛星組合體，上面級攜帶衛星通過霍曼變軌方式，抬升到衛星的工作軌位。飛行器在原先軌道上加速后，先進入橢圓形轉移軌道，抵達遠地點后再加速，進入最終的目標軌道。該方式可有效降低實際軌道調整的燃耗需求，達到提升運載火箭有效運力的最終目的。經計算，運載火箭增加上面級后，從500km軌道開始，運載火箭有效運力提升優勢逐漸明顯。如“星鏈”或“一網”衛星部署在1000km軌道以上，常規運載（如：朱雀二號或長征二號丁），有效動力都會下降到1t的范圍，而增加上面級入軌的方案后，實際有效運力可再提升約1t，所以類似軌道高度的部署，不會采用直接運載火箭入軌的方案。

單次多軌位批量入軌，加快星座建設速度

運載火箭提供的衛星部署方式主要為一次性釋放，即運載到指定軌位后，按順序依次釋放載荷衛星。通常，一次性部署星座的1個軌道面需約10顆衛星，通過控制衛星部署相位差，實現一個軌道高度上各衛星的均勻分布。而運載單次發射主要針對同一軌位的載荷。一個軌道高度的載荷衛星部署相位需求不相同，需由載荷自身配置推進系統進行調整，或是由上面級攜帶載荷實施變軌；同樣，若單次發射攜帶兩批不同軌道高度的星座衛星，還需要推進系統或上面級進行軌道高度調整。

互聯網衛星批量化發射，必然存在不同相位、軌道高度、傾角等部署需求。所以，單一的運載系統不能滿足后續互聯網星座快速建設需求，最佳方案是增加上面級實施組合體軌道機動，完成調相、調軌道高度和調傾角等要求。當載荷衛星/上面級組合體到達衛星指定軌位后，釋放相應載荷衛星，并繼續機動至下一個軌位釋放下一顆衛星，直至全部衛星部署完成。若不增加上面級，則互聯網衛星本身需配置足夠的推進系統，以滿足入軌變軌控制要求。該方案既增加了互聯網衛星的復雜度和研制成本，同時衛星自行軌道調整可達2～6個月，星座部署時間較長，增加星座建設周期。

多星多軌位靈活部署，提升星座運營維護過程靈活性

星座運營維護過程中，已部署完成的軌位點發生衛星故障，則需重新發射新的衛星替代故障衛星。而巨型星座部署采用了批量化的軌道部署，針對偶發的故障衛星，很難跟隨其他批次的衛星一起發射入軌。該類型故障衛星通常需要運載火箭分別實施針對性的發射。這種針對性的運載發射，由于單次只能針對某一軌位的單顆衛星，導致運載利用率和星座維護效率極其低下。

多星發射上面級示意圖

可通過運載火箭增加上面級，實施批次的運營維護，一次性針對多星多軌位的故障星進行替換補網。特別在星座運營維護中后期，故障衛星出現的概率及頻率增加，而故障星的軌位不可控，更需采用上面級實施故障星替換補網，以提升巨型星座運營過程多星多軌位部署的靈活性。

4 軌道轉移飛行器部署服務

運載上面級作為運載的末子級，是一種具備在大范圍內實施軌道轉移的航天器。上面級采用了運載火箭的設計思路，在軌時間短，設計壽命一般不超過3個月，實際在軌工作時長不超過10h。多星發射上面級一般不配置可重復使用的能源系統（如：帆板），多是采用一次性蓄電池支撐其快速完成部署任務，然后便自行鈍化離軌。所以，采用上面級實施星座部署需考慮上面級有限的留軌時長，在上面級能源耗盡前完成所有星座衛星的入軌釋放。該方案極大限制了星座部署的靈活性。

軌道轉移飛行器在軌部署示意圖

軌道轉移飛行器類似上面級，同樣是一種具備在大范圍內實施軌道轉移的航天器，同時具備更高精度軌控和姿控能力。軌道轉移飛行器采用了航天器的設計思路，有別于運載上面級。飛行器配置帆板等可重復使用的能源系統，可保障飛行器具備長期留軌能力，既滿足了星座部署過程的靈活性需求，還提供了星座部署結束后可持續性的在軌增值服務。軌道轉移飛行器可提供的部署服務如下。

提升運載火箭有效運力

軌道轉移飛行器同常規航天器類似，入軌后，由運載火箭釋放到較低軌道上。飛行器依靠自身的能源、熱控等系統，可維持長期在軌工作能力。飛行器采用霍曼變軌抬升軌道時，有足夠的時間可選擇飛行器每圈都在最佳范圍內點火，以逐步抬升軌道。飛行器以最小的燃料消耗達到軌道抬升的目的，最大限度地提升最終的有效運力。軌道高度超過800km時，相較于運載火箭直接入軌方案，飛行器實際有效運力可提升50%以上。

星座衛星批量部署

軌道轉移飛行器通過配置不同的載荷適配器，可攜帶各類型的批量衛星。飛行器入軌后，自主完成軌道調整，在預先設定的指定軌位處依次釋放該批次衛星。同時，也可根據實際需求，通過地面站遙控，重新指定各批次衛星的釋放軌位。

軌道轉移飛行器根據不同載荷體量，單次可承載約60顆載荷衛星，單次發射可實現不低于3批次的衛星部署。

多星多軌位部署

同衛星批量入軌部署類似，軌道轉移飛行器攜帶不同相位、不同軌道高度、不同傾角等部署需求的補網衛星，根據地面預設釋放軌位自主完成所有衛星不同軌位部署。同樣，也可根據實際需求，通過地面站介入，重新指定各顆衛星釋放軌位，或由地面站直接遙控進行飛行器軌道調整和衛星釋放操作。

軌道轉移飛行器在進行多星多軌位部署時，利用飛行器本身的長期留軌工作時長，即可自主實施部署，也可以地面遙控實施單顆衛星部署，具備極大的部署控制靈活性，尤其適用于星座運營維護期。

5 軌道轉移飛行器在軌增值服務

不同于運載上面級，軌道轉移飛行器部署服務結束后，仍可以長期留軌工作。所以軌道服務飛行器可通過配置不同的功能載荷，在部署服務結束后，提供在軌可持續的增值服務。

運載器公司（Lanucher）的軌道轉移飛行器

運載火箭入軌后釋放飛行器，飛行器自主完成不同軌位衛星部署任務。飛行器部署任務結束后，持續攜帶非分離式的載荷，留軌開展相關試驗。另外，軌道轉移飛行器還可以通過搭載機械臂執行空間目標操作等相關任務。

類似的有太空物流公司“任務延壽飛行器”（MRV），攜帶了若干顆動力擴展小型飛行器。并且，飛行器配置了空間機械臂，除了小型飛行器的相關釋放任務，還可以利用空間機械臂提供開展更多抓捕操控的相關服務。

相較于運載上面級，軌道轉移飛行器具備了更靈活、更多功能的設計方法。飛行器可更有效地服務于巨型星座，提升運載有效運力，實現星座衛星部署，應用于星座運營維護需求。同時，飛行器可攜帶相關載荷在部署任務結束后長期留軌，協助故障衛星離軌，或開展碎片清除、防衛等相關任務。

6 總結

巨型互聯網星座衛星建設對有效運力提升、軌道部署及星座運營維護有著明確需求，并隨著星座衛星的增加，對部署飛行器實現多星多軌部署、補網部署等軌道服務需求也會隨之激增。軌道轉移飛行器有別于運載上面級，采用了更靈活、更多功能的設計，可以更好地滿足衛星部署需求，并可長期留軌提供可持續性增值服務，因此更適用于未來巨型星座衛星的部署和運營維護。