全球最前沿的航天技术都在这儿了

 

2019 01 31

前方永远有更美的风景

来源 |星际智汇（space_707）

作者 | 贾平 孙棕檀 等（中国航天系统科学与工程研究院）

　　2018年，国外航天前沿技术不断发展，模块化可重构航天器、纳卫星激光通信、无工质推力器、太空碎片移除、低成本快速发射等前沿技术相继取得不同程度进展。

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　　模块化可重构航天器开展在轨试验，有望变革航天器全寿命周期模式

　　DARPA通过“凤凰”计划资助诺瓦沃克斯公司研制的两个“细胞星”模块化可重构航天器分别在3月和12月发射入轨开展在轨试验。前者寄宿在一颗通信卫星内部发射，用于在轨验证“细胞星”平台架构容纳新补充“细胞星”模块的可行性，并提供试验数据。后者搭乘火箭入轨，重点验证可重构平台支持有效载荷和重组构型等能力。两次试验将推动模块化可重构航天器加速迈向工程应用。

　　“细胞星”模块化可重构航天器目前主要在地面或在国际空间站由宇航员装配而成，随着太空机器人技术、自主技术、微纳卫星精确交会对接等技术的发展，太空机器人在轨装配、模块自主对接装配将成为模块化可重构航天器的新装配形式。

　　美国航空航天公司于2月宣布正在研究“蜂巢”在轨自主装配模块化航天器平台概念的可行性。“蜂巢”平台由批量生产的、小型、智能单元模块在轨自行组装和重构而成。模块可在轨翻滚、跳跃、换位、爬升以相互对接，对接后连接锁定成航天器平台。不依赖宇航员或机器人，能在轨自主装配的模块化可重构航天器可实现更加快速灵活的装配和重构，遇到太空碎片撞击等威胁时，也能解体进行自我保护。

“细胞星”模块化可重构航天器概念图

“蜂巢”在轨自主装航天器平台概念图

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　　微小卫星新技术全面发展，有望在低轨甚至超低轨实现低成本高性能侦察通信

　　DARPA于4月发布“黑杰克”低地球轨道星座系统项目征询书。卫星平台采用批量制造方式，设计有通用载荷接口；装有自主处理模块，可通过改变星上软件等方式改变载荷功能；可搭载一个或多个光学、射频军用载荷，支持过顶持续导弹预警、导航定位、战术通信等任务。该星座能实现全球连续覆盖，成本远低于现役军事卫星，且可通过与商业星座“共生”增强系统抗毁性。

　　美国航空航天公司于8月宣布“光学通信和传感器验证”立方星完成下行激光通信技术验证，数据传输速率达100兆比特/秒，是同等大小传统通信卫星的50倍。该立方星采用1.5U构型，舍弃了传统星载激光通信装置的光束转向镜以简化系统，采用小型星跟踪器作为高精度姿控系统，指向精度约是同等大小传统卫星的40倍。

　　芬兰国家技术研究中心于2018年6月宣布将在2019年发射工作在W频段、质量小于5千克的W-Cube纳卫星。与传统频段相比，W频段频率更高、可用带宽更大，因此信息传输安全性更好、通信容量更大，未来将显著提高大容量通信卫星的性能、降低信息被截获的可能性。

两颗“光学通信和传感器验证”立方星在轨验证星地激光通信和交会逼近技术示意图

　　随着轨道日益拥挤，200千米以下的超低轨成为微小卫星拓展运行范围、提升任务能力的新选择，无需携带工质的吸气式电推进等技术为此提供了可能。2018年，日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）研制的“超低高度试验卫星”进行飞行试验，主要用于验证超低轨道高度卫星系统、研究高密度原子氧等对卫星的影响等。卫星运行在180~268千米高度轨道，装有氙离子推进系统用于超低轨道高度保持和轨道机动。该卫星是全球首颗具有变轨能力的超低轨道试验卫星，将加速微小卫星超低轨应用进程。

　　3月，欧洲航天局首次在地面模拟环境，开展基于霍尔效应推力器的“吸气式电推进系统”样机点火试验。系统通过在150~200多千米轨道高度吸入稀薄大气作为工质并排出产生推力，无需携带工质入轨，有望使低轨航天器寿命突破工质携带量限制，实现超长时运行，显著降低部署与维护成本。

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　　太空碎片捕获技术成功开展首次在轨验证，多种无人在轨服务技术提供太空对抗新途径

　　英国萨里航天中心联合空客防务公司等研制的“太空碎片移除”试验卫星，在9月成功开展世界首次飞网抓捕太空碎片技术在轨验证。试验卫星内部装有用于模拟太空碎片的立方星。立方星弹出并飞离后，试验卫星内部“飞网”装置弹出，在抵近立方星后收紧缆绳将其捕获。

　　NASA通过“机器人在轨加注任务”-3项目，于6月在地面验证了针对模拟卫星的液态甲烷储存和传输技术，以及模拟卫星与空间站的电气兼容性。12月，该任务试验装置被发送至空间站，将在轨验证低温推进剂零蒸发存储和传输技术。该任务主要研究针对无专用加注接口航天器的机器人在轨加注技术，由太空机器人/机械臂操作多种工具，通过传输系统传输推进剂或冷冻剂等流体。与针对设有专用加注接口的技术相比，该技术涉及的切割和拆除等操作精度和复杂度更高，通用性更强。

　　原轨道ATK公司在3月宣布研发“任务机器人飞行器”。该飞行器通过特别设计的接口携带12个“任务扩展吊舱”电推进系统模块或其他有效载荷；利用机械臂为推进剂耗尽或推进系统发生故障的地球同步轨道航天器安装独立的推进系统等模块；可接连服务多个目标，比该公司此前研发的，即将实现商业应用的“任务扩展飞行器”更高效。

飞网捕获模拟太空碎片的在轨试验

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　　一体化火箭上面级辅助系统、航天飞机等开展地面试验，促进低成本、快速运载能力发展

　　美国联合发射联盟研发的“一体化火箭流体系统”在2017底至2018年开展集成系统地面试验，且于2018年8月获得NASA系统在轨验证合同。该系统是世界首个一体化上面级辅助系统，可完全取代传统上面级的氦增压、肼姿控系统及电池系统。系统所采用的一体化设计等方案，降低了火箭干重、增加了上面级点火次数、避免了传统分系统有毒和高压试验环境，将上面级测试周期缩短数天，因而降低了发射和测试等成本。该系统若用于现役美国“半人马座”上面级可使总干重降低5%~10%，运载能力最高提升0.5吨。

　　DARPA在2018年6月底至7月初成功对“幻影快车”航天飞机的AR-22发动机进行10次连续点火试验。该航天飞机通过采用可重复使用液氢/液氧AR-22火箭发动机、模块化设计、耐久性热防护系统和自主飞行控制等技术，后勤维修需求显著减少，有望在10天内飞行10次。该航天飞机飞行速度可达马赫数10，能以传统运载器10%的发射成本向低地球轨道发射重400~1350千克的有效载荷，极大提升快速组网补网等能力。

　　本文转载自“星际智汇（space_707）”，原标题《【前沿平论】全球最前沿的航天技术都在这儿了~》，作者 | 贾平 孙棕檀 特日格乐 刘博 梁晓莉 王聪 田甜 陈建光（中国航天系统科学与工程研究院 ）