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卫星太空故障抢救难,怎么办?
来源:中国航天报·飞天科普周刊     日期:2015年10月30日    字体:【】【】【

近日,媒体刊登了一则故障卫星被成功抢救恢复工作的报道。一时间,故障卫星抢救成为了近期热议的话题。那么,如何抢救故障卫星?抢救故障卫星又有什么技术难点?

卫星很“娇气”

卫星是人类发射数量最多的航天器,占发射航天器总数(近6000个)的90%以上。人类之所以发射如此多的卫星,是因为卫星在很多领域都有巨大的用途。例如,在气象监测、减灾防灾、通信导航等都离不开卫星。

随着卫星技术的迅速发展和应用,各国对卫星的需求量越来越大,卫星的功能也越来越复杂。卫星功能复杂化的背后是有效载荷性能和数量的增加,这样对控制系统的精度、稳定度等提出了更高的要求,使得控制系统的控制方案越来越复杂,需要下传监视的遥测参数越来越多,这导致卫星控制系统出现故障的可能性增大,其故障的类型也复杂多样。

此外,卫星所运行的太空环境是非常恶劣的。太阳活动、太空垃圾、微小流星等都会给卫星带来麻烦甚至致命的伤害。因此,卫星在寿命期限内难免会因为外界和自身的原因出现一些问题。

现在,卫星的造价动辄都是几亿美元(不包括微小卫星),加上发射的费用,一颗卫星的全部费用都是以亿计算。如果卫星出现故障没有及时排除或无法排除,巨额的经济损失无法避免。因此,一旦运行中的卫星出现故障,各国都会全力抢救卫星,将损失降到最低。

卫星“病危”如何抢救

卫星出现故障抢救的方式通常可以分为2种:地面发送遥控指令抢救和发射航天器进行空间修理。前者对硬件抢救设备的要求较低,是抢救故障卫星的常用方式;后者必须发射航天飞机或者其他具备卫星修理能力的航天器,对硬件技术要求特别高,至今,只有美国使用航天飞机执行过此类任务。

在地面发送遥控指令抢救卫星的前提是卫星能够接受遥控指令并可以执行或部分执行。如果卫星“油盐不进”,结果一般都是凶多吉少。卫星出现故障后,必须及时准确发现故障点,这样才好“对症下药”。发现故障点之后需对故障点进行隔离,相关专家和技术人员对卫星故障进行系统的分析,建模仿真故障,进而制定相关抢救方案,最后根据抢救方案对卫星进行抢救。

卫星故障诊断是卫星抢救中的重要环节,故障点发现准确与否直接关系到抢救卫星的成败。以往一般是人工诊断,通过人工监视遥测数据,判断故障点。人工诊断需要设计人员很大的精力,仅靠人工及时检测到异常,并准确定位故障非常困难。发现故障后要求在极短时间内制定维修方案,并验证维修方案的正确性更困难,通常时间紧迫贻误抢救时机。目前,许多国家都非常重视人工智能化诊断的研究,通过高效的数据处理、故障报警、故障诊断、故障仿真、决策支持等功能于一体的诊断系统,保障在轨卫星准确检测故障,并正确及时维修。

由于卫星是一个复杂的高科技产品集成体,因此,卫星的故障也是多种多样。如果在地面通过遥控指令能够抢修成功肯定是上上之策,但有时候地面无可奈何的时候就需要进行空间修理,尤其是对于一些高价值卫星,这种付出是值得的。对卫星进行空间修理,需要发射航天飞机或者其他具备卫星修理能力的航天器。航天飞机配备了机械臂,可以搭载航天员和零部件,是卫星修理的一个良好平台。美国航天飞机曾对哈勃太空望远镜进行过多次维修,延长了它的寿命期限。哈勃太空望远镜取得丰硕探测成果也有航天飞机的一份功劳。

太空机器人前景广阔

无论是地面遥控指令抢救和发射航天飞机进行空间抢救都存在不足,地面遥控指令抢救限制条件多,难以“包治百病”。航天飞机空间抢救成本高,风险大,2次严重的事故已经让航天飞机退出了历史舞台。目前,不少航天强国都在研究空间机器人在轨维修卫星的技术。

空间机器人以其智能灵活、有效作业距离远等特点,可以有效完成卫星在轨维修的任务。现在,卫星越来越重视模块化设计和冗余能力,在地面无法完成抢救的情况下,可发射空间机器人对损坏的模块进行更换,让故障卫星起死回生,前景非常广阔。

目前,美国国防先进研究计划局(DARPA)正在寻求研发空间机器人技术以完成在地球同步轨道上卫星的维修工作。在近地轨道的损坏卫星可以方便维修,例如,航天飞机可修理和维护哈勃空间望远镜,但是在地球同步轨道的卫星则是一个不同的问题。高轨道卫星在轨维修的难度高于低轨道,不适合使用有人驾驶的航天飞机进行维修。随着空间机器人技术的发展,其可以胜任这一工作。

DARPA认为,首先,机器人服务将把DARPA空间机器人技术与商业空间飞船整合,除了维修卫星,机器人服务器还将协助卫星改变轨道;其次,DARPA将寻求军民合作,共同完成卫星维护修理工作。(左左)

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