轨道转移飞行器在互联网巨型星座的部署服务应用.pdf

通信天地Space International 国际太空 20237Communications28轨道转移飞行器在互联网巨型星座的部署服务应用牛旼 宁少杰 包莉莉（北京未来宇航空间科技研究院有限公司）1 引言随着卫星互联网技术的发展，互联网卫星空间节点规模呈现出多层次、大规模部署的特点，所以，多层星座系统必是未来星座的发展趋势。多层星座系统的空间段由不同轨道高度的卫星组成，不同系统可有不同的组合，主要轨道高度为 400 2000km。截至 2023 年 5 月，在轨运行卫星总数已超过 10000 颗，其中，仅太空探索技术公司（SpaceX）的“星链”（Starlink）卫星就接近 4500 颗。随着互联网卫星发展竞争愈发激烈，星座卫星数量也将剧烈增长。中国近地轨道星座计划也相继启动，包括中国卫星网络集团、银河航天等公司，星座规划总数也已超过 15000 颗。但是，低轨卫星空间轨道资源有限。国际电信联盟（ITU）对轨道资源采取“先占先得”，且目前未形成正规的协调机制，导致轨道空间资源竞争激烈。巨型星座要实现卫星寿命期内完成组网，需一次性发射几十颗卫星。每颗卫星通常有着不同的轨道高度和相位。运载火箭只能提供一次性同轨位释放，所以星座卫星需依靠运载上面级或自身携带推进系统完成最后 1km 的轨道部署。其次，巨型星座常规化运营过程中，也存在不同轨位卫星故障，需单独再发射卫星进行更换。而运载火箭同轨位释放的特点，将不能适应巨型星座多星异轨的补网需求。随着互联网卫星巨型星座建设的增加，星座卫星对快速入轨、多星多轨部署、补网部署等轨道服务需求随之激增。轨道转移飞行器采用灵活和开放的设国际太空07（公开）.indd 282023/7/20 15:44Space International 国际太空总第 535 期29计思路，即满足星座卫星的快速部署需求，也可以在部署任务结束后提供可持续性的在轨增值服务，可更适用于未来巨型星座建设和运营。2 互联网巨型星座部署现状“星链”和“一网”（OneWeb）星座是目前建设较为完善的巨型星座典型代表。其他星座建设（如：“中国星网”“吉利”等星座）多处于组网建设的设计或探索的初期阶段。所以本文主要针对这两个巨型星座的部署现状及部署方式展开分析。“星链”星座部署“星链”是 SpaceX 公司的一个项目，计划于20192024 年在太空搭建由 1.2 万颗卫星组成的“星链”网络，其中 1584 颗部署在地球上空 550km 处的近地轨道。“星链”卫星采用猎鹰-9（Falcon-9）运载火箭发射，单次发射 60 枚 v1.0 版本卫星或 53颗 v1.5 版本卫星。截至 2023 年 5 月，“星链”卫星总计发射近 4500 颗卫星，并计划 2027 年部署完成 7518 颗卫星。“星链”卫星共设计二代，“星链”一代卫星质量约为 260kg，二代卫星质量约为1250kg，卫星均携带电推进系统，可自行实现轨道调整。SpaceX 公司具备较完善的研发制造能力，所以“星链”卫星整体采用了较为革新的设计思路。卫星扁平化叠层构型更便于运载火箭批量化的发射部署，猎鹰-9 运载火箭单次可发射约 60 颗卫星。“星链”部分 Ku 和 Ka 频段卫星规划部署在 1100km 轨道，但目前发射的“星链”卫星仍是部署在 350 500km近地轨道。所以在卫星入轨释放后，主要通过卫星自身配置的电推进系统持续工作 1 6 个月，完成最终的相位和高度调整。“一网”星座部署“一网”星座计划共 648 颗卫星，目标与“星链”类似，为世界各地的人提供全球卫星互联网宽带服务。2019年，“一网”使用俄罗斯联盟ST-B（Soyuz ST-B）运载火箭将计划中的前 6 颗发射到近地轨道。2020 年 2 月，“一网”星座首批 34 颗卫星发射入轨。另有 34 颗卫星于 3 月进入轨道，随后又进行了多次发射。目前，“一网”是第二大在轨卫星星座。“一网”卫星质量约为 150kg，卫星在 12 个近极轨道平面上运行，轨道高度约 1200km。“一网”星座相较于“星链”，采用更为常规的卫星设计思路，卫星整体构型为类多面体结构，便于供应商交付各卫星部组件后的系统集成测试。所以卫星也很难像“星链”一样，大批量化的叠层发射。其次，为避免目前 500km 范围的轨道空间拥挤，“一网”星座多数部署在 1200km 轨道高度上。综合考虑，“一网”星座单次发射 36 颗卫星，均采用了上面级进行轨道机动，提升有效运力，并可满足卫星多轨位部署需求。3 互联网巨型星座轨道部署需求本文以“星链”和“一网”两大巨型星座建设部署需求为典型案例，开展了深入分析，推广到后续的互联网巨型星座轨道部署，主要存在以下几个方面轨道部署服务需求。提升运载火箭有效运力，降低入轨成本运载火箭采用一次性点火入轨并释放卫星载荷的方式，会随着运载火箭入轨的轨道高度提升，有效运力快速降低。增加单独的多功能上面级后，运载火箭在低轨道释放上面级/卫星组合体，上面级携带卫星通过霍曼变轨方式，抬升到卫星的工作轨位。飞行器在原先轨道上加速后，先进入椭圆形转移轨道，抵达远地点后再加速，进入最终的目标轨道。该方式可有效降低实际轨道调整的燃耗需求，达到提升运载火箭有效运力的最终目的。经计算，运载火箭增加上面级后，从 500km 轨道开始，运载火箭有效运力提国际太空07（公开）.indd 292023/7/20 15:44通信天地Space International 国际太空 20237Communications30升优势逐渐明显。如“星链”或“一网”卫星部署在1000km 轨道以上，常规运载（如：朱雀二号或长征二号丁），有效动力都会下降到 1t 的范围，而增加上面级入轨的方案后，实际有效运力可再提升约 1t，所以类似轨道高度的部署，不会采用直接运载火箭入轨的方案。单次多轨位批量入轨，加快星座建设速度运载火箭提供的卫星部署方式主要为一次性释放，即运载到指定轨位后，按顺序依次释放载荷卫星。通常，一次性部署星座的 1 个轨道面需约 10 颗卫星，通过控制卫星部署相位差，实现一个轨道高度上各卫星的均匀分布。而运载单次发射主要针对同一轨位的载荷。一个轨道高度的载荷卫星部署相位需求不相同，需由载荷自身配置推进系统进行调整，或是由上面级携带载荷实施变轨；同样，若单次发射携带两批不同轨道高度的星座卫星，还需要推进系统或上面级进行轨道高度调整。互联网卫星批量化发射，必然存在不同相位、轨道高度、倾角等部署需求。所以，单一的运载系统不能满足后续互联网星座快速建设需求，最佳方案是增加上面级实施组合体轨道机动，完成调相、调轨道高度和调倾角等要求。当载荷卫星/上面级组合体到达卫星指定轨位后，释放相应载荷卫星，并继续机动至下一个轨位释放下一颗卫星，直至全部卫星部署完成。若不增加上面级，则互联网卫星本身需配置足够的推进系统，以满足入轨变轨控制要求。该方案既增加了互联网卫星的复杂度和研制成本，同时卫星自行轨道调整可达 2 6 个月，星座部署时间较长，增加星座建设周期。多星多轨位灵活部署，提升星座运营维护过程灵活性星座运营维护过程中，已部署完成的轨位点发生卫星故障，则需重新发射新的卫星替代故障卫星。而巨型星座部署采用了批量化的轨道部署，针对偶发的故障卫星，很难跟随其他批次的卫星一起发射入轨。该类型故障卫星通常需要运载火箭分别实施针对性的发射。这种针对性的运载发射，由于单次只能针对某一轨位的单颗卫星，导致运载利用率和星座维护效率极其低下。多星发射上面级示意图轨道转移飞行器在轨部署示意图可通过运载火箭增加上面级，实施批次的运营维护，一次性针对多星多轨位的故障星进行替换补网。特别在星座运营维护中后期，故障卫星出现的概率及频率增加，而故障星的轨位不可控，更需采用上面级实施故障星替换补网，以提升巨型星座运营过程多星多轨位部署的灵活性。4 轨道转移飞行器部署服务运载上面级作为运载的末子级，是一种具备在大范围内实施轨道转移的航天器。上面级采用了运载火箭的设计思路，在轨时间短，设计寿命一般不超过3 个月，实际在轨工作时长不超过 10h。多星发射上国际太空07（公开）.indd 302023/7/20 15:45Space International 国际太空总第 535 期31运载器公司（Lanucher）的轨道转移飞行器面级一般不配置可重复使用的能源系统（如：帆板），多是采用一次性蓄电池支撑其快速完成部署任务，然后便自行钝化离轨。所以，采用上面级实施星座部署需考虑上面级有限的留轨时长，在上面级能源耗尽前完成所有星座卫星的入轨释放。该方案极大限制了星座部署的灵活性。轨道转移飞行器类似上面级，同样是一种具备在大范围内实施轨道转移的航天器，同时具备更高精度轨控和姿控能力。轨道转移飞行器采用了航天器的设计思路，有别于运载上面级。飞行器配置帆板等可重复使用的能源系统，可保障飞行器具备长期留轨能力，既满足了星座部署过程的灵活性需求，还提供了星座部署结束后可持续性的在轨增值服务。轨道转移飞行器可提供的部署服务如下。提升运载火箭有效运力轨道转移飞行器同常规航天器类似，入轨后，由运载火箭释放到较低轨道上。飞行器依靠自身的能源、热控等系统，可维持长期在轨工作能力。飞行器采用霍曼变轨抬升轨道时，有足够的时间可选择飞行器每圈都在最佳范围内点火，以逐步抬升轨道。飞行器以最小的燃料消耗达到轨道抬升的目的，最大限度地提升最终的有效运力。轨道高度超过 800km 时，相较于运载火箭直接入轨方案，飞行器实际有效运力可提升 50%以上。星座卫星批量部署轨道转移飞行器通过配置不同的载荷适配器，可携带各类型的批量卫星。飞行器入轨后，自主完成轨道调整，在预先设定的指定轨位处依次释放该批次卫星。同时，也可根据实际需求，通过地面站遥控，重新指定各批次卫星的释放轨位。轨道转移飞行器根据不同载荷体量，单次可承载约 60 颗载荷卫星，单次发射可实现不低于 3 批次的卫星部署。多星多轨位部署同卫星批量入轨部署类似，轨道转移飞行器携带不同相位、不同轨道高度、不同倾角等部署需求的补网卫星，根据地面预设释放轨位自主完成所有卫星不同轨位部署。同样，也可根据实际需求，通过地面站介入，重新指定各颗卫星释放轨位，或由地面站直接遥控进行飞行器轨道调整和卫星释放操作。轨道转移飞行器在进行多星多轨位部署时，利用飞行器本身的长期留轨工作时长，即可自主实施部署，也可以地面遥控实施单颗卫星部署，具备极大的部署控制灵活性，尤其适用于星座运营维护期。5 轨道转移飞行器在轨增值服务不同于运载上面级，轨道转移飞行器部署服务结束后，仍可以长期留轨工作。所以轨道服务飞行器国际太空07（公开）.indd 312023/7/20 15:45通信天地Space International 国际太空 20237Communications32可通过配置不同的功能载荷，在部署服务结束后，提供在轨可持续的增值服务。运载火箭入轨后释放飞行器，飞行器自主完成不同轨位卫星部署任务。飞行器部署任务结束后，持续携带非分离式的载荷，留轨开展相关试验。另外，轨道转移飞行器还可以通过搭载机械臂执行空间目标操作等相关任务。类似的有太空物流公司“任务延寿飞行器”（MRV），携带了若干颗动力扩展小型飞行器。并且，飞行器配置了空间机械臂，除了小型飞行器的相关释放任务，还可以利用空间机械臂提供开展更多抓捕操控的相关服务。相较于运载上面级，轨道转移飞行器具备了更灵活、更多功能的设计方法。飞行器可更有效地服务于巨型星座，提升运载有效运力，实现星座卫星部署，应用于星座运营维护需求。同时，飞行器可携带相关载荷在部署任务结束后长期留轨，协助故障卫星离轨，或开展碎片清除、防卫等相关任务。6 总结巨型互联网星座卫星建设对有效运力提升、轨道部署及星座运营维护有着明确需求，并随着星座卫星的增加，对部署飞行器实现多星多轨部署、补网部署等轨道服务需求也会随之激增。轨道转移飞行器有别于运载上面级，采用了更灵活、更多功能的设计，可以更好地满足卫星部署需求，并可长期留轨提供可持续性增值服务，因此更适用于未来巨型星座卫星的部署和运营维护。参考文献1 崔潇潇，王琦，范青松.从“一网”（OneWeb）卫星探究卫星互联网面临的风险与挑战 J.国防科技工业，2022(6):56-58.2 国外先进轨道转移飞行器典型项目 EB/OL.2022-09-03.https:/ John T Collins，Hans F Meissinger，Robert Bell.Small Orbit Transfer Vehicle(OTV)for on-orbit satellite servicing and resupplyJ.International Journal of Hygiene&Environmental，2001，207(4):337.4 唐军刚，陆塞崎，陈益，等国内外运载火箭上面级发展现状分析 J中国航天，2012(9):5-10.5 周佑君，叶成敏远征上面级研制技术发展 J宇航总体技术，2020，4(6):9-15.6 上海“太空巴士”实现“异轨多星”远征三号达国际先进水平 EB/OL.2018-12-29.https:/ 322023/7/20 15:45