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）