□ 遲 惑

迄今為止，人類發(fā)射到地球靜止軌道上的通信衛(wèi)星已經(jīng)超過(guò)1300顆。當(dāng)然，其中大多數(shù)已經(jīng)報(bào)廢了。報(bào)廢的原因多種多樣，譬如燃料耗盡，行波管放大器衰竭；有的衛(wèi)星是被太陽(yáng)風(fēng)暴掃了一下，一命嗚呼；也有的是因?yàn)榘l(fā)射前就存在缺陷，還沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)壽命就失效了。

不過(guò)在所有這些“死”衛(wèi)星身上，有一種零件是輕易不會(huì)損壞的，那就是天線。一般來(lái)說(shuō)，通信衛(wèi)星的天線，尤其是硬質(zhì)的拋物面天線，其自身沒(méi)有太多活動(dòng)的機(jī)械部件或者電子零件，因此沒(méi)有什么可壞的。天線壽命往往可以比整星長(zhǎng)好幾倍，它雖然看上去結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但工藝卻相當(dāng)復(fù)雜。一般來(lái)說(shuō)，天線占到衛(wèi)星成本的很大一部分。人類目前已經(jīng)發(fā)射的衛(wèi)星總價(jià)值達(dá)到3000億美元，那么就有值不少錢的天線在天上無(wú)所事事地漂浮著。需要指出的是，為了把這些衛(wèi)星及其天線發(fā)射到靜止軌道上去，還消耗了上千枚火箭和相應(yīng)的燃料。如果能再發(fā)射一些沒(méi)有天線的衛(wèi)星上天，把廢棄衛(wèi)星的天線拆下來(lái)裝到前者身上，不就可以組成新的工作衛(wèi)星了嗎，又省錢又環(huán)保，何樂(lè)而不為呢？

如果這樣的兩顆衛(wèi)星都擺在地面的車間里，移植天線自然不難，但是要在35800千米外的太空里搞這么一出技術(shù)秀，可就要?jiǎng)有┠X筋了。

藝術(shù)家筆下的“鳳凰”計(jì)劃衛(wèi)星

“鳳凰”計(jì)劃

2012年2月，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局，也就是著名的DARPA，向航天界提出了研究一種在太空中進(jìn)行廢物利用的辦法。具體的目標(biāo)，就是開(kāi)發(fā)空間機(jī)器人技術(shù)，從處于墓地軌道或者失效軌道上的廢棄原GEO（地球同步軌道）通信衛(wèi)星上取下天線，加以利用，從而為美軍提供更經(jīng)濟(jì)適用的、持續(xù)的天基通信服務(wù)。之所以把GEO衛(wèi)星作為再利用的對(duì)象，是因?yàn)樗鼈兊耐ㄐ判Ч詈?。美軍?duì)比了GEO、MEO、LEO星座、無(wú)人機(jī)和無(wú)人飛艇通信中繼后，發(fā)現(xiàn)還是GEO通信衛(wèi)星的性價(jià)比最好。尤其是GEO衛(wèi)星可以提供不間斷的通信保障，比無(wú)人機(jī)、無(wú)人飛艇這些留空時(shí)間有限的通信平臺(tái)強(qiáng)得多。如果能重復(fù)利用這些在軌天線，不但能得到高增益、長(zhǎng)期持續(xù)覆蓋的天基通信能力，也可以挽救已經(jīng)花在天線研制和發(fā)射中的“沉沒(méi)成本”。

或許是因?yàn)檫@樣的技術(shù)可以讓天線起死回生，DARPA為之起名為“鳳凰”，以求衛(wèi)星能夠浴火重生。

除了技術(shù)問(wèn)題，“鳳凰”計(jì)劃還要開(kāi)展法律問(wèn)題的研究。例如當(dāng)前的太空法律和國(guó)際協(xié)議，關(guān)于商業(yè)化太空救援的法律問(wèn)題，等等。

“鳳凰”計(jì)劃的高潮將是2015~2016年實(shí)施的在軌演示驗(yàn)證。期間將至少發(fā)射一組機(jī)器人航天器，選定一顆位于GEO軌道或墓地軌道上的廢棄靜止衛(wèi)星，用大約6個(gè)月的時(shí)間來(lái)實(shí)施拆除天線和再利用工作，所形成的新衛(wèi)星至少要能運(yùn)行48個(gè)月。

具體來(lái)說(shuō)，“鳳凰”計(jì)劃的目標(biāo)是開(kāi)發(fā)以下三類技術(shù)：

演示驗(yàn)證一種新的衛(wèi)星設(shè)計(jì)與制造方法，應(yīng)用“細(xì)胞化”和“形態(tài)學(xué)重構(gòu)”概念來(lái)創(chuàng)造一種新的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)，稱為“SATLET”。

在與目標(biāo)通信衛(wèi)星具有較大相對(duì)速度的情況下，從另一顆衛(wèi)星上用一種稱為“有效載荷在軌遞送系統(tǒng)”（PODS）的裝置，演示驗(yàn)證發(fā)射和釋放在軌小質(zhì)量系統(tǒng)。

演示驗(yàn)證一種能在軌重構(gòu)合作退役衛(wèi)星的機(jī)器人衛(wèi)星，其次要功能是作為再利用體那先的通信中繼工具。這種技術(shù)稱為“服務(wù)器/看管器”。在概念上，“服務(wù)器”指裝有機(jī)器人設(shè)備的GEO航天器，可以執(zhí)行傳統(tǒng)的衛(wèi)星平臺(tái)功能；“看管器”指另一種GEO衛(wèi)星，可以在不接觸目標(biāo)的情況下實(shí)施射頻中繼、供電、軌道保持等操作。

微型機(jī)械手

“鳳凰”計(jì)劃中的機(jī)器人航天器

“鳳凰”的飛行計(jì)劃

要想達(dá)成“鳳凰”計(jì)劃的目標(biāo)，必須在小傾角軌道上進(jìn)行操作，同時(shí)必須盡量避免傷及GEO軌道上的現(xiàn)役衛(wèi)星。因此在演示驗(yàn)證實(shí)施之前，會(huì)有一個(gè)政府科學(xué)小組精心選擇目標(biāo)衛(wèi)星，分析衛(wèi)星滾動(dòng)的角速度，把重構(gòu)之后的衛(wèi)星從墓地軌道推回GEO軌道所需的最小速度增量，衛(wèi)星天線尺寸，等等。

DARPA期望能在演示驗(yàn)證中完成以下一系列任務(wù)：

研制一套POD演示驗(yàn)證組建，并搭載于某顆GEO通信衛(wèi)星發(fā)射。POD上要攜帶鳳凰基本任務(wù)所需的硬件。之后才發(fā)射“服務(wù)器/看管器”。這個(gè)任務(wù)的目標(biāo)是驗(yàn)證POD研發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，并將其集成到現(xiàn)有商業(yè)衛(wèi)星上建造獨(dú)立的“服務(wù)器/看管器”，通過(guò)政府渠道發(fā)射到GEO軌道上臨近POD搭載星的位置。兩者接近到1千米左右時(shí)停止。這個(gè)任務(wù)的目標(biāo)是驗(yàn)證服務(wù)器/看管器平臺(tái)與系統(tǒng)，驗(yàn)證交會(huì)對(duì)接傳感器套件及其軟件是否能發(fā)現(xiàn)并機(jī)動(dòng)接近通信衛(wèi)星那樣的大型目標(biāo)，并驗(yàn)證其實(shí)施任務(wù)操作、與商業(yè)衛(wèi)星伴飛的能力。

待“服務(wù)器/看管器”到位、進(jìn)入視野后，POD搭載星實(shí)施“彈射”操作，把POD發(fā)射到宇宙空間里。“服務(wù)器/看管器”實(shí)施機(jī)動(dòng)，接近正在自由飛行的POD，并用機(jī)械臂將其擒獲，放置在自身的儲(chǔ)物槽內(nèi)。這個(gè)任務(wù)的目標(biāo)是驗(yàn)證所謂“前端機(jī)器人使能近期演示驗(yàn)證”機(jī)械臂的操作能力，驗(yàn)證各種終端效應(yīng)工具，驗(yàn)證“服務(wù)器/看管器”安全捕獲和存放POD的能力；驗(yàn)證“人在回路中”的遙存在系統(tǒng)；在地面使用恰當(dāng)?shù)慕缑婧投喾N星上敏感器，驗(yàn)證PRO套件有用于大型目標(biāo)（例如GEO通信衛(wèi)星）和小質(zhì)量目標(biāo)（例如POD）的強(qiáng)健性；驗(yàn)證有效載荷運(yùn)行設(shè)施及其團(tuán)隊(duì)與任務(wù)運(yùn)行設(shè)施及其團(tuán)隊(duì)之間的互操作性，以及與商業(yè)通信衛(wèi)星運(yùn)行中心的飛行協(xié)調(diào)。

“服務(wù)器/看管器”靠自己的推力器飛離PODS搭載星，然后機(jī)動(dòng)到GEO墓地軌道，找到目標(biāo)衛(wèi)星（指已經(jīng)廢棄的通信衛(wèi)星）并機(jī)動(dòng)接近。需要指出的是，這個(gè)目標(biāo)衛(wèi)星必須是合作目標(biāo)，也就是預(yù)先知道其特征和軌道參數(shù)的?！胺?wù)器/看管器”先抵達(dá)距目標(biāo)衛(wèi)星40千米處，然后逐步接近到100米。這個(gè)階段任務(wù)的目標(biāo)是驗(yàn)證“服務(wù)器/看管器”安全機(jī)動(dòng)并與異軌衛(wèi)星交會(huì)的能力，驗(yàn)證PRO敏感器套件和軟件的能力，驗(yàn)證主任務(wù)運(yùn)行設(shè)施和團(tuán)隊(duì)的能力。

“服務(wù)器/看管器”機(jī)動(dòng)到距離目標(biāo)衛(wèi)星約1.5米處，用FREND機(jī)械臂及“鳳凰”計(jì)劃專門研制的工具捕捉之。之后，“服務(wù)器/看管器”將從自身儲(chǔ)物槽中取出一個(gè)SATLET，裝到目標(biāo)衛(wèi)星的星體上。這個(gè)任務(wù)的目標(biāo)是驗(yàn)證FREND及其他機(jī)器人工具捕捉另一空間物體的能力，驗(yàn)證有效載荷及任務(wù)運(yùn)行設(shè)施、團(tuán)隊(duì)之間能否安全地交互，驗(yàn)證“服務(wù)器/看管器”能否對(duì)一個(gè)新的、運(yùn)動(dòng)學(xué)靜態(tài)的質(zhì)量體實(shí)施有力控制，驗(yàn)證“服務(wù)器/看管器”與目標(biāo)衛(wèi)星組合體的動(dòng)力學(xué)性能和“服務(wù)器/看管器”的控制能力，驗(yàn)證其是否有有能力將一個(gè)SATLET放置到目標(biāo)衛(wèi)星任一主要表面上。以及SATLET能否穩(wěn)固地保持在這個(gè)表面上。此外，還需要驗(yàn)證以下過(guò)程的全部概念：打開(kāi)PODS，把SATLET從PODS中推出，同步或協(xié)同使用多套機(jī)械臂和工具。

“服務(wù)器/看管器”使用FREND把SATLET安裝到目標(biāo)衛(wèi)星天線的周圍。這個(gè)步驟可能需要“服務(wù)器/看管器”反復(fù)鎖緊或松開(kāi)目標(biāo)衛(wèi)星上的不同位置，也就是“爬”到一個(gè)FREND能接觸到天線的地方。SATLET啟動(dòng)，對(duì)天線進(jìn)行測(cè)試，然后關(guān)閉。此時(shí)天線還連接在目標(biāo)衛(wèi)星上。測(cè)試通過(guò)后，“服務(wù)器/看管器”用工具切開(kāi)天線的支撐架，再用其他工具把天線從目標(biāo)衛(wèi)星上拆下來(lái)。這個(gè)任務(wù)的目的是驗(yàn)證“服務(wù)器/看管器”的敏感器組件和主機(jī)械臂抓緊、釋放、機(jī)動(dòng)、再抓緊衛(wèi)星的能力，驗(yàn)證使用多臺(tái)機(jī)器人的能力和把SATLET安裝到現(xiàn)有天線上所需的當(dāng)?shù)貞B(tài)勢(shì)感知能力，驗(yàn)證SATLET在退役天線上的操作能力，在復(fù)雜操作過(guò)程中更換工具的能力，用一種工具把天線從退役衛(wèi)星上拆除的能力，在一個(gè)航天器上同時(shí)使用多種工具時(shí)的多動(dòng)態(tài)質(zhì)量體機(jī)器人化控制能力。

“服務(wù)器/看管器”松開(kāi)目標(biāo)衛(wèi)星，并帶著天線機(jī)動(dòng)到一個(gè)較遠(yuǎn)的位置，與目標(biāo)衛(wèi)星拉開(kāi)安全距離。然后SATLET帶著天線再次啟動(dòng)，驗(yàn)證其基本功能，驗(yàn)證完成后將天線丟棄，任其自由飛行。這個(gè)任務(wù)的目標(biāo)是驗(yàn)證退役天線收集射頻能量并將之傳送給“看管器”的能力，驗(yàn)證其余一個(gè)指定地面站建立鏈路后再關(guān)閉鏈路的能力，驗(yàn)證SATLET能對(duì)自身及天線（不包括“服務(wù)器/看管器”）實(shí)施基本的整體姿態(tài)控制。

機(jī)器人航天器正在捕獲衛(wèi)星

“鳳凰”與公司收購(gòu)

“鳳凰”計(jì)劃還在航天業(yè)界引發(fā)了一場(chǎng)不大不小的風(fēng)波。價(jià)值數(shù)千萬(wàn)美元的“鳳凰”計(jì)劃早期的合同被世界五大衛(wèi)星制造商之一的美國(guó)空間系統(tǒng)勞拉公司獲得，但空間系統(tǒng)勞拉公司的母公司——?jiǎng)诶臻g與通信公司——卻認(rèn)為衛(wèi)星制造業(yè)賺錢不多，打算把這個(gè)子公司賣掉。

與此同時(shí)，加拿大MDA公司一直對(duì)如何延長(zhǎng)在軌通信衛(wèi)星的壽命很感興趣，曾經(jīng)考慮開(kāi)發(fā)一種航天器，發(fā)射到靜止軌道上后能與燃料耗盡、但其他系統(tǒng)尚能工作的通信衛(wèi)星對(duì)接，充當(dāng)后者的燃料儲(chǔ)罐和推力器，使其繼續(xù)工作。而且，MDA公司還擅長(zhǎng)制造空間機(jī)器人，航天飛機(jī)和國(guó)際空間站上用的機(jī)械手就是MDA公司的大作。MDA公司一直很想進(jìn)入美國(guó)軍用航天器市場(chǎng)，但受美國(guó)法律限制而一直未能如愿。

空間系統(tǒng)勞拉公司被插上草標(biāo)待售的消息一出，MDA公司大喜過(guò)望，立刻籌資數(shù)億美元，決心將它買下。雙方一拍即合，估計(jì)在2012年秋天，空間系統(tǒng)勞拉公司就要換個(gè)東家了。而“鳳凰”計(jì)劃的承包商也就會(huì)變成MDA公司。

地球附近廢棄的人造衛(wèi)星分布圖

有這么單純嗎？

就筆者看來(lái)，DARPA的“鳳凰”計(jì)劃固然有它廢物利用、節(jié)省資源的一面，但也存在著“醉翁之意不在酒”的另一面。廢棄衛(wèi)星上的天線固然有重復(fù)利用價(jià)值，但PODS加“服務(wù)器/看管器”的復(fù)雜組合不可能是廉價(jià)的，僅發(fā)射費(fèi)用就可能吃光天線再利用節(jié)省下來(lái)的錢。而且，衛(wèi)星總裝總測(cè)是精密復(fù)雜的工作，一般需要在潔凈車間里用大型工藝裝備、由多名技師經(jīng)過(guò)復(fù)雜流程才能完成。在軌道上用機(jī)器人來(lái)操作，能造出可用的衛(wèi)星嗎？

但有一點(diǎn)是明白無(wú)誤的，“鳳凰”一旦研制成功，有能力把一顆衛(wèi)星的天線割下來(lái)。如果割天線的對(duì)象不是什么廢棄的“合作衛(wèi)星”，而是其他國(guó)家的現(xiàn)役衛(wèi)星，“鳳凰”就成了一種空間武器。一般通信衛(wèi)星是沒(méi)有自衛(wèi)能力的，需要定點(diǎn)工作的靜止軌道衛(wèi)星連逃跑的能力都沒(méi)有，只要被“服務(wù)器/看管器”盯上、被PODS附體，這顆衛(wèi)星可能就完蛋了。所以，“鳳凰”很有可能是以“挽救”為名行“摧毀”之實(shí)的一個(gè)空間進(jìn)攻性武器研究計(jì)劃。至少，它能為空間武器積累足夠的技術(shù)。

攜帶機(jī)械臂的小衛(wèi)星編隊(duì)