制图：李涛 经过数十年不间断的航天发射，目前的地球静止卫星轨道上存留了大量报废卫星。如果不能对这些报废卫星加以拆除利用，不仅会浪费众多太空资源，还会对在轨航天器的安全造成严重威胁。为此，科学家提出了卫星即插即用的新思路，在太空中对航天器进行搭积木组装再利用。 事实上，早在20世纪70年代，美国就提出模块化航天器设计理念，仍在组网的第二代铱星商业卫星中就专门预留了通用接口和载荷安装空间。航天器模块化构建不仅是实现空间快速响应的重要途径，也将在空间系统快速构建、航天器在轨维修与功能扩展等方面发挥重要作用。 破解太空探索难题 日前，由美国国防部高级研究计划局支持研制的细胞星集成技术实验卫星进入太阳同步轨道，以进一步在轨验证卫星模块化兼容有效载荷的能力。 传统航天器普遍存在设计、制造和部署周期长、成本高等问题，远远无法满足地面对空间系统能力支撑需求的快速增长。同时，现有航天器还存在功能单一、通用性不强、重构和升级复杂等问题。一项分析表明，目前航天器多是独一无二专门设计而成的，仅卫星研制成本中就有85是重复性设计造成的。 如果航天器组件能像计算机设备一样具有即插即用功能，将会显著降低空间系统设计、制造、测试和运行成本。更何况，束缚人类太空探索步伐的还有一项技术瓶颈，就是运载火箭发射能力的制约。如果能在外太空实现各功能模块的按需使用，太空探索也就不必束手束脚。 2002年，美国开始研究能实施太空抓捕的高灵敏度太空机械臂，进而提供在轨服务。在模块化构建思路牵引下，美国在作战响应空间计划中提出了即插即用卫星概念。在上述研究基础上，美国国防部高级研究计划局于2011年进一步启动了凤凰计划，旨在捕获退役的地球静止轨道卫星，再配合部分新发射的卫星，实现在轨直接组装生成新卫星。 赋予航天器新生命 模块化构建的突出特点就是使用开放式架构。在中心基本架构基础上可添加通信、气象探测、导航定位等各种功能模块。按照模块化划分标准，可以把卫星整体划分成多个功能模块，每个功能模块都是独立整体，能独立完成一项或多项任务。由于各个功能模块采用了标准统一的接口，不同生产厂家生产的功能模块在机械、电信和数据接口上可以相互兼容，能较为方便地实施组装，势必催生航天器发展升级的新形态。 在细胞星集成技术实验卫星发射升空之前，国际空间站就先后进行了多次模块化构建航天器的初步试验。2018年3月，寄宿在通信卫星上的有效载荷在轨交付卫星，就是由4颗超级集成细胞星模块化构建而成的。此次升空的细胞星集成技术实验卫星平台包含了14颗超级集成细胞星，每个小的细胞星都是具有全部平台子系统功能的聚合体。 超级集成细胞星聚合体就好比电脑主板上的中央处理器，相互之间通过开源软件共享电力、姿态控制和数据处理资源，且中央处理器的运行数量也可通过软件实时改变，就跟搭积木一样简单。即便是超级集成细胞星中某一个出现了故障，其他细胞星上的相关分系统也可通过软件控制来替代其工作。 细胞星概念的出现给航天器赋予了新的生命力，航天器能够像由细胞构成的有机生命体一般，实现自我重组和替换修复。细胞星只是凤凰计划中关于组装卫星的一小步。未来还将建立起面向重复利用的在轨服务支援体系，通过对废弃卫星上的元器件进行回收，最终整合构建成新的可再利用卫星。 此外，为确保未来战争中能及时补充和维护失效军用卫星，美国还提出作战响应空间计划。通过部署快速响应、低成本、面向战术特点的小卫星，作为大型空间系统的有效补充和增强。2006年，美国空军研究实验室开展了即插即用卫星演示验证项目，通过采用开放式标准和接口，使用自识别组件，实现模块化卫星的系统自动配置功能，进一步压缩了卫星系统的部署时间和所需成本。 未来应用潜力巨大 除美国外，德国宇航局也推出一项研究项目，主要思路是将传统卫星平台分解成数个在轨服务智能建造块，通过在轨装配和维护，延长航天器使用寿命，同时减少太空垃圾的产生。事实上，模块化构建技术的出现，在太空环境保护上确实是一项有益之举。 模块化构建展示了未来航天器发展的广阔应用前景，势必对全球航天技术产生深远影响。利用模块搭建平台，能灵活、快速实现客户需求和任务定制，大幅降低航天器的全寿命成本，进一步缩短部署周期。通过分批发射的不同模块实现在轨装配，还将摆脱现有运载能力束缚，进一步催生出超大型航天器。此外，大量模块化构建的航天器有助于增强空间系统的抗毁性和可靠性，使之更易于维护升级。 事实上，模块化构建还有着巨大的军事应用前景。通过凤凰计划，美军试图建立反卫星作战的新模式。当需要攻击敌方卫星时，可直接利用凤凰计划发展的捕获和太空切割技术，将敌方的在轨卫星拆除破坏。还可以利用专门开发的卫星基件，更换敌方卫星的信息处理装置，实现对敌方卫星的换脑式控制或策反。通过模块化构建技术直接从敌方卫星上窃取部件，在打击敌人的同时还能壮大自己，这就比单纯毁灭对手要更加高明。 一旦模块化构建技术发展成熟，具备在轨组装卫星能力的一方，其空间系统的抗毁能力和快速恢复能力将得到大幅提升。（张玉民张瑗敏）
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