牛旼 寧少杰 包莉莉（北京未來(lái)宇航空間科技研究院有限公司）

1 引言

隨著衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星空間節(jié)點(diǎn)規(guī)模呈現(xiàn)出多層次、大規(guī)模部署的特點(diǎn)，所以，多層星座系統(tǒng)必是未來(lái)星座的發(fā)展趨勢(shì)。多層星座系統(tǒng)的空間段由不同軌道高度的衛(wèi)星組成，不同系統(tǒng)可有不同的組合，主要軌道高度為400～2000km。截至 2023年5月，在軌運(yùn)行衛(wèi)星總數(shù)已超過(guò)10000顆，其中，僅太空探索技術(shù)公司（SpaceX）的“星鏈”（Starlink）衛(wèi)星就接近4500顆。隨著互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星發(fā)展競(jìng)爭(zhēng)愈發(fā)激烈，星座衛(wèi)星數(shù)量也將劇烈增長(zhǎng)。中國(guó)近地軌道星座計(jì)劃也相繼啟動(dòng)，包括中國(guó)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)集團(tuán)、銀河航天等公司，星座規(guī)劃總數(shù)也已超過(guò)15000顆。但是，低軌衛(wèi)星空間軌道資源有限。國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）對(duì)軌道資源采取“先占先得”，且目前未形成正規(guī)的協(xié)調(diào)機(jī)制，導(dǎo)致軌道空間資源競(jìng)爭(zhēng)激烈。

巨型星座要實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星壽命期內(nèi)完成組網(wǎng)，需一次性發(fā)射幾十顆衛(wèi)星。每顆衛(wèi)星通常有著不同的軌道高度和相位。運(yùn)載火箭只能提供一次性同軌位釋放，所以星座衛(wèi)星需依靠運(yùn)載上面級(jí)或自身攜帶推進(jìn)系統(tǒng)完成最后1km的軌道部署。

其次，巨型星座常規(guī)化運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，也存在不同軌位衛(wèi)星故障，需單獨(dú)再發(fā)射衛(wèi)星進(jìn)行更換。而運(yùn)載火箭同軌位釋放的特點(diǎn)，將不能適應(yīng)巨型星座多星異軌的補(bǔ)網(wǎng)需求。

隨著互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星巨型星座建設(shè)的增加，星座衛(wèi)星對(duì)快速入軌、多星多軌部署、補(bǔ)網(wǎng)部署等軌道服務(wù)需求隨之激增。軌道轉(zhuǎn)移飛行器采用靈活和開放的設(shè)計(jì)思路，即滿足星座衛(wèi)星的快速部署需求，也可以在部署任務(wù)結(jié)束后提供可持續(xù)性的在軌增值服務(wù)，可更適用于未來(lái)巨型星座建設(shè)和運(yùn)營(yíng)。

2 互聯(lián)網(wǎng)巨型星座部署現(xiàn)狀

“星鏈”和“一網(wǎng)”（OneWeb）星座是目前建設(shè)較為完善的巨型星座典型代表。其他星座建設(shè)（如：“中國(guó)星網(wǎng)”“吉利”等星座）多處于組網(wǎng)建設(shè)的設(shè)計(jì)或探索的初期階段。所以本文主要針對(duì)這兩個(gè)巨型星座的部署現(xiàn)狀及部署方式展開分析。

“星鏈”星座部署

“星鏈”是SpaceX公司的一個(gè)項(xiàng)目，計(jì)劃于2019—2024年在太空搭建由1.2萬(wàn)顆衛(wèi)星組成的“星鏈”網(wǎng)絡(luò)，其中1584顆部署在地球上空550km處的近地軌道。“星鏈”衛(wèi)星采用獵鷹-9（Falcon-9）運(yùn)載火箭發(fā)射，單次發(fā)射60枚v1.0版本衛(wèi)星或53顆v1.5版本衛(wèi)星。截至2023年5月，“星鏈”衛(wèi)星總計(jì)發(fā)射近4500顆衛(wèi)星，并計(jì)劃2027年部署完成7518顆衛(wèi)星?！靶擎湣毙l(wèi)星共設(shè)計(jì)二代，“星鏈”一代衛(wèi)星質(zhì)量約為260kg，二代衛(wèi)星質(zhì)量約為1250kg，衛(wèi)星均攜帶電推進(jìn)系統(tǒng)，可自行實(shí)現(xiàn)軌道調(diào)整。

SpaceX公司具備較完善的研發(fā)制造能力，所以“星鏈”衛(wèi)星整體采用了較為革新的設(shè)計(jì)思路。衛(wèi)星扁平化疊層構(gòu)型更便于運(yùn)載火箭批量化的發(fā)射部署，獵鷹-9運(yùn)載火箭單次可發(fā)射約60顆衛(wèi)星。“星鏈”部分Ku和Ka頻段衛(wèi)星規(guī)劃部署在1100km軌道，但目前發(fā)射的“星鏈”衛(wèi)星仍是部署在350～500km近地軌道。所以在衛(wèi)星入軌釋放后，主要通過(guò)衛(wèi)星自身配置的電推進(jìn)系統(tǒng)持續(xù)工作1～6個(gè)月，完成最終的相位和高度調(diào)整。

“一網(wǎng)”星座部署

“一網(wǎng)”星座計(jì)劃共648顆衛(wèi)星，目標(biāo)與“星鏈”類似，為世界各地的人提供全球衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)寬帶服務(wù)。2019年，“一網(wǎng)”使用俄羅斯聯(lián)盟ST-B（Soyuz ST-B）運(yùn)載火箭將計(jì)劃中的前6顆發(fā)射到近地軌道。2020年2月，“一網(wǎng)”星座首批34顆衛(wèi)星發(fā)射入軌。另有34顆衛(wèi)星于3月進(jìn)入軌道，隨后又進(jìn)行了多次發(fā)射。目前，“一網(wǎng)”是第二大在軌衛(wèi)星星座。“一網(wǎng)”衛(wèi)星質(zhì)量約為150kg，衛(wèi)星在12個(gè)近極軌道平面上運(yùn)行，軌道高度約1200km。

“一網(wǎng)”星座相較于“星鏈”，采用更為常規(guī)的衛(wèi)星設(shè)計(jì)思路，衛(wèi)星整體構(gòu)型為類多面體結(jié)構(gòu)，便于供應(yīng)商交付各衛(wèi)星部組件后的系統(tǒng)集成測(cè)試。所以衛(wèi)星也很難像“星鏈”一樣，大批量化的疊層發(fā)射。其次，為避免目前500km范圍的軌道空間擁擠，“一網(wǎng)”星座多數(shù)部署在1200km軌道高度上。綜合考慮，“一網(wǎng)”星座單次發(fā)射36顆衛(wèi)星，均采用了上面級(jí)進(jìn)行軌道機(jī)動(dòng)，提升有效運(yùn)力，并可滿足衛(wèi)星多軌位部署需求。

3 互聯(lián)網(wǎng)巨型星座軌道部署需求

本文以“星鏈”和“一網(wǎng)”兩大巨型星座建設(shè)部署需求為典型案例，開展了深入分析，推廣到后續(xù)的互聯(lián)網(wǎng)巨型星座軌道部署，主要存在以下幾個(gè)方面軌道部署服務(wù)需求。

提升運(yùn)載火箭有效運(yùn)力，降低入軌成本

運(yùn)載火箭采用一次性點(diǎn)火入軌并釋放衛(wèi)星載荷的方式，會(huì)隨著運(yùn)載火箭入軌的軌道高度提升，有效運(yùn)力快速降低。增加單獨(dú)的多功能上面級(jí)后，運(yùn)載火箭在低軌道釋放上面級(jí)/衛(wèi)星組合體，上面級(jí)攜帶衛(wèi)星通過(guò)霍曼變軌方式，抬升到衛(wèi)星的工作軌位。飛行器在原先軌道上加速后，先進(jìn)入橢圓形轉(zhuǎn)移軌道，抵達(dá)遠(yuǎn)地點(diǎn)后再加速，進(jìn)入最終的目標(biāo)軌道。該方式可有效降低實(shí)際軌道調(diào)整的燃耗需求，達(dá)到提升運(yùn)載火箭有效運(yùn)力的最終目的。經(jīng)計(jì)算，運(yùn)載火箭增加上面級(jí)后，從500km軌道開始，運(yùn)載火箭有效運(yùn)力提升優(yōu)勢(shì)逐漸明顯。如“星鏈”或“一網(wǎng)”衛(wèi)星部署在1000km軌道以上，常規(guī)運(yùn)載（如：朱雀二號(hào)或長(zhǎng)征二號(hào)?。?，有效動(dòng)力都會(huì)下降到1t的范圍，而增加上面級(jí)入軌的方案后，實(shí)際有效運(yùn)力可再提升約1t，所以類似軌道高度的部署，不會(huì)采用直接運(yùn)載火箭入軌的方案。

單次多軌位批量入軌，加快星座建設(shè)速度

運(yùn)載火箭提供的衛(wèi)星部署方式主要為一次性釋放，即運(yùn)載到指定軌位后，按順序依次釋放載荷衛(wèi)星。通常，一次性部署星座的1個(gè)軌道面需約10顆衛(wèi)星，通過(guò)控制衛(wèi)星部署相位差，實(shí)現(xiàn)一個(gè)軌道高度上各衛(wèi)星的均勻分布。而運(yùn)載單次發(fā)射主要針對(duì)同一軌位的載荷。一個(gè)軌道高度的載荷衛(wèi)星部署相位需求不相同，需由載荷自身配置推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，或是由上面級(jí)攜帶載荷實(shí)施變軌；同樣，若單次發(fā)射攜帶兩批不同軌道高度的星座衛(wèi)星，還需要推進(jìn)系統(tǒng)或上面級(jí)進(jìn)行軌道高度調(diào)整。

互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星批量化發(fā)射，必然存在不同相位、軌道高度、傾角等部署需求。所以，單一的運(yùn)載系統(tǒng)不能滿足后續(xù)互聯(lián)網(wǎng)星座快速建設(shè)需求，最佳方案是增加上面級(jí)實(shí)施組合體軌道機(jī)動(dòng)，完成調(diào)相、調(diào)軌道高度和調(diào)傾角等要求。當(dāng)載荷衛(wèi)星/上面級(jí)組合體到達(dá)衛(wèi)星指定軌位后，釋放相應(yīng)載荷衛(wèi)星，并繼續(xù)機(jī)動(dòng)至下一個(gè)軌位釋放下一顆衛(wèi)星，直至全部衛(wèi)星部署完成。若不增加上面級(jí)，則互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星本身需配置足夠的推進(jìn)系統(tǒng)，以滿足入軌變軌控制要求。該方案既增加了互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星的復(fù)雜度和研制成本，同時(shí)衛(wèi)星自行軌道調(diào)整可達(dá)2～6個(gè)月，星座部署時(shí)間較長(zhǎng)，增加星座建設(shè)周期。

多星多軌位靈活部署，提升星座運(yùn)營(yíng)維護(hù)過(guò)程靈活性

星座運(yùn)營(yíng)維護(hù)過(guò)程中，已部署完成的軌位點(diǎn)發(fā)生衛(wèi)星故障，則需重新發(fā)射新的衛(wèi)星替代故障衛(wèi)星。而巨型星座部署采用了批量化的軌道部署，針對(duì)偶發(fā)的故障衛(wèi)星，很難跟隨其他批次的衛(wèi)星一起發(fā)射入軌。該類型故障衛(wèi)星通常需要運(yùn)載火箭分別實(shí)施針對(duì)性的發(fā)射。這種針對(duì)性的運(yùn)載發(fā)射，由于單次只能針對(duì)某一軌位的單顆衛(wèi)星，導(dǎo)致運(yùn)載利用率和星座維護(hù)效率極其低下。

多星發(fā)射上面級(jí)示意圖

可通過(guò)運(yùn)載火箭增加上面級(jí)，實(shí)施批次的運(yùn)營(yíng)維護(hù)，一次性針對(duì)多星多軌位的故障星進(jìn)行替換補(bǔ)網(wǎng)。特別在星座運(yùn)營(yíng)維護(hù)中后期，故障衛(wèi)星出現(xiàn)的概率及頻率增加，而故障星的軌位不可控，更需采用上面級(jí)實(shí)施故障星替換補(bǔ)網(wǎng)，以提升巨型星座運(yùn)營(yíng)過(guò)程多星多軌位部署的靈活性。

4 軌道轉(zhuǎn)移飛行器部署服務(wù)

運(yùn)載上面級(jí)作為運(yùn)載的末子級(jí)，是一種具備在大范圍內(nèi)實(shí)施軌道轉(zhuǎn)移的航天器。上面級(jí)采用了運(yùn)載火箭的設(shè)計(jì)思路，在軌時(shí)間短，設(shè)計(jì)壽命一般不超過(guò)3個(gè)月，實(shí)際在軌工作時(shí)長(zhǎng)不超過(guò)10h。多星發(fā)射上面級(jí)一般不配置可重復(fù)使用的能源系統(tǒng)（如：帆板），多是采用一次性蓄電池支撐其快速完成部署任務(wù)，然后便自行鈍化離軌。所以，采用上面級(jí)實(shí)施星座部署需考慮上面級(jí)有限的留軌時(shí)長(zhǎng)，在上面級(jí)能源耗盡前完成所有星座衛(wèi)星的入軌釋放。該方案極大限制了星座部署的靈活性。

軌道轉(zhuǎn)移飛行器在軌部署示意圖

軌道轉(zhuǎn)移飛行器類似上面級(jí)，同樣是一種具備在大范圍內(nèi)實(shí)施軌道轉(zhuǎn)移的航天器，同時(shí)具備更高精度軌控和姿控能力。軌道轉(zhuǎn)移飛行器采用了航天器的設(shè)計(jì)思路，有別于運(yùn)載上面級(jí)。飛行器配置帆板等可重復(fù)使用的能源系統(tǒng)，可保障飛行器具備長(zhǎng)期留軌能力，既滿足了星座部署過(guò)程的靈活性需求，還提供了星座部署結(jié)束后可持續(xù)性的在軌增值服務(wù)。軌道轉(zhuǎn)移飛行器可提供的部署服務(wù)如下。

提升運(yùn)載火箭有效運(yùn)力

軌道轉(zhuǎn)移飛行器同常規(guī)航天器類似，入軌后，由運(yùn)載火箭釋放到較低軌道上。飛行器依靠自身的能源、熱控等系統(tǒng)，可維持長(zhǎng)期在軌工作能力。飛行器采用霍曼變軌抬升軌道時(shí)，有足夠的時(shí)間可選擇飛行器每圈都在最佳范圍內(nèi)點(diǎn)火，以逐步抬升軌道。飛行器以最小的燃料消耗達(dá)到軌道抬升的目的，最大限度地提升最終的有效運(yùn)力。軌道高度超過(guò)800km時(shí)，相較于運(yùn)載火箭直接入軌方案，飛行器實(shí)際有效運(yùn)力可提升50%以上。

星座衛(wèi)星批量部署

軌道轉(zhuǎn)移飛行器通過(guò)配置不同的載荷適配器，可攜帶各類型的批量衛(wèi)星。飛行器入軌后，自主完成軌道調(diào)整，在預(yù)先設(shè)定的指定軌位處依次釋放該批次衛(wèi)星。同時(shí)，也可根據(jù)實(shí)際需求，通過(guò)地面站遙控，重新指定各批次衛(wèi)星的釋放軌位。

軌道轉(zhuǎn)移飛行器根據(jù)不同載荷體量，單次可承載約60顆載荷衛(wèi)星，單次發(fā)射可實(shí)現(xiàn)不低于3批次的衛(wèi)星部署。

多星多軌位部署

同衛(wèi)星批量入軌部署類似，軌道轉(zhuǎn)移飛行器攜帶不同相位、不同軌道高度、不同傾角等部署需求的補(bǔ)網(wǎng)衛(wèi)星，根據(jù)地面預(yù)設(shè)釋放軌位自主完成所有衛(wèi)星不同軌位部署。同樣，也可根據(jù)實(shí)際需求，通過(guò)地面站介入，重新指定各顆衛(wèi)星釋放軌位，或由地面站直接遙控進(jìn)行飛行器軌道調(diào)整和衛(wèi)星釋放操作。

軌道轉(zhuǎn)移飛行器在進(jìn)行多星多軌位部署時(shí)，利用飛行器本身的長(zhǎng)期留軌工作時(shí)長(zhǎng)，即可自主實(shí)施部署，也可以地面遙控實(shí)施單顆衛(wèi)星部署，具備極大的部署控制靈活性，尤其適用于星座運(yùn)營(yíng)維護(hù)期。

5 軌道轉(zhuǎn)移飛行器在軌增值服務(wù)

不同于運(yùn)載上面級(jí)，軌道轉(zhuǎn)移飛行器部署服務(wù)結(jié)束后，仍可以長(zhǎng)期留軌工作。所以軌道服務(wù)飛行器可通過(guò)配置不同的功能載荷，在部署服務(wù)結(jié)束后，提供在軌可持續(xù)的增值服務(wù)。

運(yùn)載器公司（Lanucher）的軌道轉(zhuǎn)移飛行器

運(yùn)載火箭入軌后釋放飛行器，飛行器自主完成不同軌位衛(wèi)星部署任務(wù)。飛行器部署任務(wù)結(jié)束后，持續(xù)攜帶非分離式的載荷，留軌開展相關(guān)試驗(yàn)。另外，軌道轉(zhuǎn)移飛行器還可以通過(guò)搭載機(jī)械臂執(zhí)行空間目標(biāo)操作等相關(guān)任務(wù)。

類似的有太空物流公司“任務(wù)延壽飛行器”（MRV），攜帶了若干顆動(dòng)力擴(kuò)展小型飛行器。并且，飛行器配置了空間機(jī)械臂，除了小型飛行器的相關(guān)釋放任務(wù)，還可以利用空間機(jī)械臂提供開展更多抓捕操控的相關(guān)服務(wù)。

相較于運(yùn)載上面級(jí)，軌道轉(zhuǎn)移飛行器具備了更靈活、更多功能的設(shè)計(jì)方法。飛行器可更有效地服務(wù)于巨型星座，提升運(yùn)載有效運(yùn)力，實(shí)現(xiàn)星座衛(wèi)星部署，應(yīng)用于星座運(yùn)營(yíng)維護(hù)需求。同時(shí)，飛行器可攜帶相關(guān)載荷在部署任務(wù)結(jié)束后長(zhǎng)期留軌，協(xié)助故障衛(wèi)星離軌，或開展碎片清除、防衛(wèi)等相關(guān)任務(wù)。

6 總結(jié)

巨型互聯(lián)網(wǎng)星座衛(wèi)星建設(shè)對(duì)有效運(yùn)力提升、軌道部署及星座運(yùn)營(yíng)維護(hù)有著明確需求，并隨著星座衛(wèi)星的增加，對(duì)部署飛行器實(shí)現(xiàn)多星多軌部署、補(bǔ)網(wǎng)部署等軌道服務(wù)需求也會(huì)隨之激增。軌道轉(zhuǎn)移飛行器有別于運(yùn)載上面級(jí)，采用了更靈活、更多功能的設(shè)計(jì)，可以更好地滿足衛(wèi)星部署需求，并可長(zhǎng)期留軌提供可持續(xù)性增值服務(wù)，因此更適用于未來(lái)巨型星座衛(wèi)星的部署和運(yùn)營(yíng)維護(hù)。