美启动“凤凰计划” 分析称将挑战现有太空秩序

  近日，美国Slashdot科学网站报道称，美国已经启动“凤凰计划”，目的是回收利用美国太空的废弃资源。从该项目名称中显而易见，美国国防部希望其所有的太空废弃资源都能够像凤凰涅槃一般浴火重生。评论认为，“凤凰计划”项目非常有可能会达到一石三鸟的效果，甚至引发新的太空武器革命，将各国拖入新的太空竞争。请看科技日报特约专稿——

  随着空间技术在国民经济与国防军事领域中的广泛应用，太空慢慢的变成了强国之间竞相争夺的战略制高点。假如没有各种应用卫星的支持，不论是现代社会便捷的卫星导航、通信广播，还是战场上的侦察与监视，都将没办法实现。然而，太空中运行的卫星如果出现故障，基本上也就意味着寿终正寝。对于如何降低航天器的研制成本，提高航天器的利用效率，一直是空间技术发展中的大难题。

  那么，能不能像在地面一样，对在太空中的航天器进行维修或者更换零部件？近两年来，美国国防部高级研究计划局(DARPA)正在进行一项名为“凤凰”的太空开发项目，打算从太空中废弃的卫星上拆卸元器件，组装成为新的卫星。这一新奇的创意，可能会对航天器的设计与利用带来革命性的变化。

  从1957年人类进入太空时代以来，已有6000多个航天器进入太空。这些航天器的重量加起来足有数万吨之巨。通常情况下，一颗卫星的设计寿命短则数月，长则十到二十年。当卫星携带的推进剂耗尽，或者星上关键元器件遭受太空恶劣环境影响而老化损毁，这颗卫星就可能失去地面的控制，无法正常工作，成为报废卫星。因为遵循万有引力定律绕地球做轨道飞行，这些报废卫星按照自然状态脱离轨道往往要花费数十年的时间，特别是运行在中高轨道上的卫星，甚至将长期或者永久性滞留太空，成了所谓的“太空垃圾”。

  “太空垃圾”占用宝贵的轨道资源，影响着其他卫星的正常运行。2009年2月11日就上演了一场太空交通事故，美国的通信卫星“铱-33”撞上了一颗前苏联的报废卫星“宇宙2251”。两颗卫星在俄罗斯西伯利亚上空距离地面790千米的高度迎头相撞。此次相撞，形成了数千片的太空碎片，进一步污染了太空环境。随着越来越多的航天器发射入轨，曾经寂静的太空现在也变得越来越拥挤。其中，最为拥挤的要数地球静止轨道。因其独特的作用，这一特殊轨道成为各国竞相争夺的战略资源。据悉，向国际电信联盟提出发射地球静止轨道卫星的申请都排到了2030年之后。

  事实上，垃圾也可能是放错地方的宝贝。报废卫星虽然整星失去功能，而某些元器件却仍然具有可以重复使用的价值。例如，卫星携带的大型天线、光电探测设备占据了卫星体积和重量的主要部分。根据计算，将每1公斤的物体送入太空，发射成本就要增加10000美元。照此推测，若将目前遗弃在地球静止轨道附近的报废卫星重新利用起来，就能节约大约3000亿美元的成本。因此，这是一个亟待开发的太空宝库。

  在东西方的神话传说中，都有一种叫凤凰的神鸟。相传每过500年，凤凰生命即将大限之时，它便会在梧桐枝中浴火，在烈火中获得新生。DARPA把这项变废为宝的太空开发项目命名为“凤凰”，就是要研制一种具有在轨操作功能的空间机器人，或者叫做空间操作平台。这种空间操作平台能够捕获失去控制的报废卫星，直接在轨道上把仍然可使用的天线、光电探测设备等元器件拆卸下来，然后与后续发射升空的组件(DARPA称之为细胞卫星)拼装在一起，形成一个新的可用卫星。

  这种变废为宝的创意，既提高了星载元器件的利用效率，又大大降低了卫星的研制成本和发射成本。更为重要的是，“凤凰计划”还意味着主动清理掉那些无用的太空垃圾。如果不考虑军事方面可能的应用，这将对净化太空环境、促进太空可持续发展，发挥重要意义。

  从原理看上，“凤凰计划”的核心是对航天器的在轨操作，似乎并不复杂。早在上个世纪，美国和苏联就曾经进行过航天器的在轨操作。1984年11月，美国的“发现号”航天飞机曾回收过发生故障的通信卫星——把“西联星6号”和“帕拉帕B2号”两颗卫星带回地面维修后再次发射。哈勃太空望远镜于1990年发射升空后，美国曾5次借助于航天飞机，由宇航员出舱对其进行在轨维修和系统升级，更换哈勃望远镜的光学系统、太阳能帆板和配电系统，安装了新的质谱仪和隔热装置，大大提高了哈勃的利用效能和使用寿命。

  首先是对空间操作平台精确操控的难题，“凤凰计划”的操作目标是在地球静止轨道以上失控的报废卫星，既要解决地面操控指令的传输时延问题，又要解决高速运动目标的精确定位问题。其次是对非合作目标抓捕的难题，不同于此前对哈勃望远镜的维修，“凤凰计划”中的空间操作平台是在无人状态下对失控目标的抓捕。这类目标没有对接机构，姿态未知且不稳定，要想抓捕成功就必须实现空间操作平台的智能化和对追踪目标的可视化，否则就会存在两个高速运动目标直接相撞的风险。第三是在轨组装的难题，要想重新利用报废卫星上的天线和探测设备，细胞卫星不但要实现模块化，还必须具备同原有器件的兼容性和扩展性。而且，这些细胞卫星在太空进行组装，缺少在地面组装时可用的人工调试和系统重启等环境和条件，就必须具备即插即用的功能，像我们常用的U盘一样，插接之后就可使用。

  虽然低轨道航天器的捕获对接已经趋于成熟，但在地球静止轨道这样的高度进行航天器的捕获对接还是新的尝试，“凤凰计划”着实面临着不少挑战。2012年7月25日，DARPA将“凤凰”项目分拆授给了多家航天技术公司。ATK公司与海军研究实验室合作研究“凤凰”项目的总体集成问题，劳拉空间系统公司研究如何搭载细胞卫星的问题，德雷泊实验室则要研究“无推进剂机动”技术的姿态控制软件，蜜蜂机器人航天器结构公司的任务则是研制空间操作机械手。另外，NASA喷气推进实验室和麻省理工等研究机构也参与其中。从2011年启动“凤凰计划”至今，DARPA已经累计投入了将近1亿美元的费用。

  “凤凰计划”一旦取得成功，对航天器的研制和使用将是革命性的。这种具有非合作目标捕获能力的空间操作平台，将来完全可以发展成为像空中加油机一样的天基卫星燃料加注站，使现有卫星的寿命几乎不受携带燃料的限制。它还可能彻底改变传统卫星从设计到应用的研发思路，传统航天器一旦进入太空，发生故障只能通过地面指令进行补救性操作，为了确保航天器可靠性，其研制总是采用最为保守、最为成熟的技术。而“凤凰计划”的成功，则意味着航天器的设计不再是打造一颗功能完备、五脏俱全的完整卫星，而可以更大胆的尝试新材料、新技术，以模块替换和组件升级方式，确保应用卫星或者其他空间平台正常工作的方法得以实现。

  然而，“凤凰计划”不但能用于民用，也能够适用于军事。事实上，“凤凰”项目已经为现有的国际空间秩序带来新的挑战。为维护人类正常利用太空的秩序，《和平利用外层空间条约》明确规定了各国有和平利用太空的权利，并做出不得在太空部署武器的规定。而“凤凰计划”中的空间操作平台，具有对非合作目标的捕获能力，这将超越现有国际空间法律和法规对“太空武器”的界定。这种能够捕获废弃卫星的空间操作平台，甚至不能定义成武器的范围。这样，如果平时把这样的空间操作平台部署在太空，一旦择机需要，发出指令去捕获敌方的卫星，不失为一种绝佳的武器。

  信息化条件下的现代战争已经充分表明，太空中的卫星为地面战场提供的侦察、通信、导航和气象保障是夺取战场主动权的必要前提。据统计，美军目前95%的战场侦察情报、90%的军事通信、100%的导航定位服务和100%的气象保障信息均来自于太空的卫星，俄军也有70%的战略情报、80%的军事通信离不开卫星系统。卫星系统慢慢的变成了现在战争的力量倍增器，假如没有卫星提供信息支援保障，打赢战争几乎是没办法完成的任务。所以，军事强国都把反卫星武器作为反制强敌，寻求不对称发展的重要方法。透过主要国家的技术发展分析，当前的地基拦截导弹和定向武器受到射程限制，还只能对付低轨道卫星，对中高轨道卫星尚无可奈何。而从“凤凰”项目所具备的能力看，地球静止轨道上的通信和中继卫星、预警监视卫星，恐怕也会难逃被追逐和猎杀的厄运。

  正是看到了在轨操作技术具有广泛的军民两用性，航天强国纷纷加强了这一领域的研究。俄塔社7月17日就报道了国际空间站俄罗斯方的负责人弗拉基米尔·索洛维约夫透露的消息，俄罗斯专家也在研发一种轨道基地，准备用于维修和试验新型航天器。可以预测，航天强国之间围绕控制空间、夺占战略制高点的斗争将会更加激烈。

  目前，“凤凰”项目已确定进入关键阶段。根据预算文件，“凤凰”项目将于2015年进行首次演示验证。美军到底要在太空做些什么，我们还需要拭目以待。(汤付营)

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