太空“擒拿术”新貌

提起擒拿格斗，相信不少人都熟悉。它是通过接近、接触，随后采用各种技法将对方擒获。可以说，“擒拿术”是克敌制胜的法宝。那么，在太空是否也有“擒拿术”呢?答案是肯定的，这就是自主空间交会对接与捕获技术。它是通过航天器空间交会对接的方法捕获对方航天器，随后要么将其推离原定轨道，要么破坏其功能，使其成为一堆太空垃圾。由此可见，太空“擒拿术”有着巨大的实用价值。近年来，美国大力发展自主空间交会对接与捕获技术，进行了一系列研制与试验计划。这样的技术既可以实施航天器的燃料加注等在轨服务，也能够实施主动出击，致敌对方卫星以毁灭性打击。2003年，美国空军实验室发射的XSS-10卫星自主机动靠近“德尔它-2”第2级火箭，并将火箭子级的图片传回地球。2005年发射的XSS-11卫星试验了交会的导航技术，直接测量了目标卫星的相关位置，并与“米诺陶”火箭的上面级进行了交会。2005年，美国航空航天局发射的“自动交会技术试验”(DART)卫星进行了自主交会试验。由于技术问题，该卫星与目标星MUBLCOM发生了碰撞。2007年3月8日升空的“轨道快车”在成功进行多次试验后，于7月21日停止运行。在“轨道快车”计划顺利完成后，美国并没有停止该领域的研究，目前正在秘密发展“通用轨道修正航天器”(SUM0)计划。据美国国防信息中心的消息，“通用轨道修正航天器”计划是美国2008财年重点发展的空间武器计划之一。

“通用轨道修正航天器”主要用于试验在轨燃料补给、检修卫星、更换零部件等在轨服务技术，这对于当前空间技术在军用和民用方面的应用都具有重大意义。交会对接是在轨服务中的核心技术，可以毫不夸张的说，空间交会和对接技术水平将决定空间攻防技术的水平和价值。航天器空间交会对接技术是指两个航天器在同一轨道上以相同速度相会、在结构上连为整体的技术。交会对接(RVD)包含交会和对接两方面。交会是指两个航天器在交会轨道上相互接近。对接是指当两个航天器接近到满足对接机构实施对接的初始条件时，对接机构在特定的指令下完成相互耦合和连接的过程。据初步统计，全世界成功实现在轨交会对接已经接近300次。这些交会对接大部分是非自主的，也就是说要依赖地面站测量、操作与控制。自主交会对接是指不依赖地面站帮助进行的交会对接，就目前空间技术的发展趋势看，自主交会对接将最终替代非自主交会对接，成为该领域的发展方向。综上所述，自主空间交会对接与捕获技术就像我们常见的“擒拿术”一样，两者有异曲同工之处。

与众不同的太空“擒拿术”

“通用轨道修正航天器”计划在美国军方的掌控中，它由美国国防高级研究计划局负责、美国海军研究实验室空间技术中心具体研究。“通用轨道修正航天器”将演示计算机视觉系统、自动机械系统以及自动控制算法的综合集成能力，以便在未来的空间活动中完成对航天器的自动对接、捕获、燃料加注、维修等。“通用轨道修正航天器”与以往进行此类操作的航天器最大的不同在于：它能够捕获任何一种卫星，而不需要事先在卫星上安装对接装置，同时也不需要给它们做任何标记。传统对接的捕获过程主要包括3个步骤：(1)根据制导、导航和控制系统(GNC)的对接指令，启动对接机构驱动组合电机，将对接环推出至准备对接位置，等待对接；(2)两飞行器的对接机构相互接触，由传感器获得接触信号并通知制导、导航和控制系统，请求主动航天飞行器启动主推发动机。接触后，对接机构利用其机构形状和缓冲系统，自动导向和缓冲，并使主、被动航天飞行器对接环端面重合；(3)两对接环端面重合时，捕获锁与卡板器咬合，完成捕获，并通知制导、导航和控制系统，请求关闭主推发动机。目前的对接机构主要有三种形式：(1)“锥杆”式对接机构(2)异体同构周边式对接机构(3)抓手与撞锁对接机构。

从功能上看，“通用轨道修正航天器”的主要作用包括两方面：(1)对于有在轨维修需求的航天器(此类航天器安装有相应的对接和部件替换接口，需进行特殊设计)，能够进行在轨维修、转移并安装轨道替换组件、补充燃料等；(2)对于未考虑在轨维修服务的航天器(普通航天器，包括本国和他国)，能够进行位置保持、姿态控制、轨道推移和修正。

“通用轨道修正航天器”的实质是一种空间机器人，主要由推进模块和有效载荷模块组成：推进模块包括1个推力489牛顿的火箭发动机、6个推力22牛顿的姿态控制系统推进器、2个连接的太阳能电池阵，以及星象跟踪仪、惯性测量单元、2个天地链路系统转发器、全球定位系统接收器及平台处理器。有效载荷模块包括自动对接及捕获系统，具体包括3个7自由度的通用机械臂、计算机视觉系统、3个工具箱、远程获取传感器，以及有效载荷处理器。推进模块与有效载荷模块的功能是相互独立的。按照美国国防高级研究局的要求，这两个模块由两个独立的组织分别开发。　　

美国海军研究实验室空间技术中心的信息表明，“通用轨道修正航天器”将运行在地球同步轨道，美国昂贵的通信卫星将会成为其服务的主要对象。通常情况下，4个这样的航天器将部署在环绕地球的停泊轨道上。在需要执行任务时，控制中心会选择距离目标卫星最近的“通用轨道修正航天器”，在合适的时间进入朝向目标卫星的转移轨道。一旦该航天器距离目标卫星100千米，卫星上的远距离传感器会立即发现目标卫星，同时启动推进器；并在软件程序的控制下，逐渐接近到距离目标卫星100米的位置。在此处，“计算机视觉系统”开始启动并产生目标的图像，而算法程序会即刻处理目标图像并确定目标的相关姿态——目标相关的位置和方位。随后，计算机利用得到的目标数据导引自身航天器运行到距离目标卫星1.5米。在此位置，机械臂开始进行目标卫星的捕获。复杂的轨道规划软件会告诉机械臂，怎样移动去抓住目标卫星而不会碰撞其天线或其它部件。最后，三个机械臂的末端受动器插入到用于把目标卫星连接到运载火箭的螺栓孔内，按照需要对目标卫星进行各种在轨服务。完成任务后，启动分离程序，离开目标卫星回到停泊轨道，等待下一次任务的命令。

美国海军研究实验室在经历了3年的研制和建造工作后，2005年4月，“通用轨道修正航天器”成功进行了实验室演示。为了此次演示，海军研究实验室研制了2个携带发动机的金属平台：在其中一个平台上，工作人员安装了“通用轨道修正航天器”的一部分，主要包括7个照相机和一个简单的不具备飞行条件的机器臂，这些部件与装有控制软件的计算机进行有线连接；另一个平台模拟的是波音702卫星平台的仿制卫星。在试验时，技术人员关闭了灯光以模拟空间黑暗的环境，并试验了两个航天器在轨接近的复杂运动以及机器臂与

模拟目标的对接操作。下一阶段，海军研究实验室的工作人员将为“通用轨道修正航天器”设计具备飞行条件的机器臂和末端受动器，同时编写飞行软件代码。该软件将在轨控制机器臂和末端受动器。

地面的实验室演示难以精确模拟空间的真实环境，因此需要进行空间的飞行演示试验。如果进展顺利，海军研究实验室的“通用轨道修正航天器”载荷将在2008年-前准备好，随后将其安装在主要的卫星框架内，以便进行轨道演示试验。其基本演示计划包括两个任务：(1)“通用轨道修正航天器”由“飞马”-XL火箭从美国东部发射进入近地轨道，它将对一个作为目标航天器的“飞马”-XL火箭第三级进行严格的自主对接、捕获以及其它服务试验。(2)在对“飞马”-XL火箭第三级的试验结束后，“通用轨道修正航天器”将对一颗废弃的近地轨道卫星进行自主对接、捕获及推进等试验，而目标卫星与“飞马”-XL火箭的第三级位于同一轨道。目前，美国军方已经选定了进行试验的近地轨道卫星，但具体是哪颗卫星却拒绝透露。　　

主要法宝

“通用轨道修正航天器”采用的是新的自主空间交会对接与捕获技术，那么，它必定有自己的绝活儿，也就是说在一些关键技术上取得了突破。它的法宝是什么呢?

法宝一：直接捕获技术

“通用轨道修正航天器”和其它类似系统的最主要区别就在于能够捕获非合作目标，同时，被捕获的目标航天器在设计时，无需增加任何专门用于对接捕获的接口和装置。“通用轨道修正航天器”采用的方法，是利用目标航天器与运载火箭相连的固定螺栓孔进行捕获。在实际捕获过程中，它的三个机械臂的末端受动器(在机器人技术中，末端受动器是一种连接到机器人手臂上的设备或者工具。末端受动器的结构、编程原理和硬件驱动的原理，都依赖于将要执行的任务。)插入到用于把卫星连接到火箭的螺栓孔，并抓住螺栓孔内部。按照设计要求，三个机器臂对于目标卫星的吸力约21千克／平方厘米。接下来，连接的机械臂将锁定在此固定连接处，同时通过发动机提供的推力把卫星拖到新的轨道位置。

“通用轨道修正航天器”末端受动器的基本装置包括1个接合环夹钳、螺栓孔抓取器、并行夹钳等。另外，机械臂拥有7个自由度，这使得末端受动器能进行任意6自由度的定位。

法宝二：计算机视觉系统

计算机视觉系统为导航、末端受动器的控制等提供基本数据。计算机视觉系统包括20个排列在该航天器的框架和3个机械臂上的照相机、照明系统和软件系统。这种系统能够从分布在航天器平台以及机器臂末端的20架照相机中选出最优的3架，利用图像处理算法从目标图像中产生目标姿态。

法宝三：自动控制算法

自动控制算法对于“通用轨道修正航天器”的功能具有重要的作用，美国海军研究实验室主要从三个方面进行了研究。(1)运动规划。对“通用轨道修正航天器”进行运动规划，可以使其在复杂的环境下安全运转。“通用轨道修正航天器”运动规划算法能够实时计算，为包含3个机器臂在内的21自由度系统提供准确的运动轨迹，可以避免与空间物体发生碰撞。为此，研究人员正在开发一种基于最优控制的新型运动规划算法。(2)适应性控制。保持“通用轨道修正航天器”机器臂系统与被捕获目标之间的相互适应性是非常重要的，这种适应性用于阻止“通用轨道修正航天器”以及目标卫星受到损坏，同时还能防止由“通用轨道修正航天器”引起的目标的意外移动。解决这一问题的方法是增加机械适应装置，比如给末端受动器增加减震器。(3)基础运动补偿。在实际操作中，“通用轨道修正航天器”的机器臂并非处于完全静止状态，要实现末端受动器的精确定位需要终止这种运动。海军研究实验室将开发遗传算法来执行基础运动补偿操作。

未来太空攻防的重要角色

美国为了确保自己保持绝对的太空优势，不遗余力的发展各类空间技术，“通用轨道修正航天器”是其中的典型代表，同时也体现了当今空间技术的发展方向，有着巨大的商业和军用价值。“通用轨道修正航天器”可以完成以下任务：

(1)在轨修复与升级

当航天器某些部件出现故障或者需要升级时，可以使用“通用轨道修正航天器”完成某些部件的替换，从而完成航天器的在轨升级与修复。

(2)燃料补给

使用“通用轨道修正航天器”的捕获技术，可以抓住需要加注燃料的卫星，通过燃料通道对卫星进行燃料补给从而延长卫星寿命。

(3)清除太空垃圾

废弃的卫星和火箭已经成为航天器运行的威胁之一，可以通过“通用轨道修正航天器”的轨道转移功能把此类太空垃圾移出轨道，提高航天器的生存能力。

(4)辅助发射

在运载火箭推力有限的条件下，可以将大型航天器拆分成若干部分分别发射，然后再使用“通用轨道修正航天器”把它们组装在起。也就是说，对于体积和重量都超过运载火箭能力的发射任务，完全可通过“通用轨道修正航天器”来辅助完成发射。

虽然美国国防高级研究计划局和美国海军研究实验室的工作人员表示，“通用轨道修正航天器”的主要目的是增加卫星的寿命以节省成本，验证在轨自主卫星服务的能力以及太空机器人活动的有效性。但是分析家认为其价值远大于此。近5年来，美国每隔一年都进行了交会对接或者逼近绕飞的试验。美国不遗余力的发展此类技术，可见美国对此类技术的重视程度及其未来太空攻防的发展方向，而“通用轨道修正航天器”则扮演着重要的角色。

(1)先进的太空武器

近年来，太空军事化程度愈演愈烈，美国感到自己的太空安全受到了威胁，为此一直在积极探索太空防御。决定研制“通用轨道修正航天器”，可以说是美军对太空防御问题进行长时间思考的结果，它能够很好的用于太空防御。首先，“通用轨道修正航天器”具备强大的轨道转移能力，能够使用机械臂和机械手捕获商业或军用卫星，同时还可以把它们送入新的轨道。这样当探测到己方卫星受到威胁时，可以用“通用轨道修正航天器”把己方卫星拖到新的轨道，以躲避反卫星武器的攻击从而进行被动防御。其次，还可以在“通用轨道修正航天器”上安装空间监视装置、攻击告警装置和针对威胁的对抗装置。将其部署在主卫星周围进行伴飞，当发现有针对卫星的攻击行为时，可以针对攻击进行诱骗、阻挡或拦截等主动防御。

除了太空防御外，“通用轨道修正航天器”试验的技术可被应用于反卫星武器。它的最大特点就在于能够实现对非合作目标的捕获，这样就很容易将其改造成为反卫星武器。一方面，“通用轨道修正航天器”具有轨道机动和对接能力，能够捕获敌方卫星，使其改变轨道和姿态，这对于突防是非常有效的。而且这种攻击具有“可逆”的优势，在需

要时可以把敌方卫星推回原来的轨道；另一方面，可以使用“通用轨道修正航天器”的机械臂直接与卫星进行碰撞，对其进行硬杀伤的破坏。而且，“通用轨道修正航天器”最终的运行轨道是在地球同步轨道，这就意味着美国具备了全轨道高度反卫星的能力。

(2)实战型太空维修站

“通用轨道修正航天器”具有高度自动化的机械手臂，初步具有替代航天员在太空完成空间维修作业的能力。以往，美国进行太空抢修主要依靠航天员搭乘航天飞机，接近需要修复的航天器，然后实施出舱活动进行人工维修。然而在战争环境下派遣航天员执行航天器维修任务，无疑是不可能的。无人太空维修技术的军事价值在于，对那些在太空交战中受损的高价值航天器进行抢修，而不需要冒什么风险，这样可提升美军太空战体系的生存力和作战实力。

几点启示

探索技术，层层深入

目前，美国认为其最大威胁是极端暴力的伊斯兰恐怖主义和 些“流氓”国家，对这些敌人，太空武器没什么用武之地。于是在发展空间进攻能力的问题上，美国并不着急研制武器，而是以探索先进空间技术应用于太空武器为主，以便占领技术制高点，为未来控制空间积累技术，“通用轨道修正航天器”的发展也体现了这思路，同时，美国对应用先进空间技术进行空间攻防的探索也逐步深入，其技术水平也从对合作目标的交会对接发展到了对非合作目标的交会对接，从近地轨道发展到了地球同步轨道。

寓军于民，以民掩军

面对国内外日渐高涨的反对空间武器化的声音，美国采取了军民结合的策略继续研发和试验各种空间攻防对抗技术，尤其重视采用卫星进行先进技术与概念的飞行演示和验证。这样首先发展了民用空间技术，产生良好的经济效益；同时，也积累了先进技术，以便在需要时迅速改造为太空武器服务于空间作战。最后，还能掩人耳目，避免被指责为空间武器化的倡导者。美国宣称：“通用轨道修正航天器”的主要目的是延长卫星寿命、提高卫星生存能力，但其发展的技术必将能在空间攻防中有着广泛的应用。因此，我们应该十分关注美国的此类军民结合的先进空间技术试验计划。

总之，“通用轨道修正航天器”的技术一旦成熟并运用于实战，美军将在太空中同时具备攻防两手，不仅能够打击对方的航天器，还具有使己方航天器不被对方所伤的能力，使美军再次在太空占据绝对优势。同时，“通用轨道修正航天器”的技术成熟也将触发军事航天技术及应用发展的新轮变革。

责任编辑　兆　然

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