概述
美國國防高級研究計畫局(DARPA)目前正在研發一個衛星發射、運行和維護的新基本途徑,該途徑突破了原有觀念被提上議事日程。該理念包括用小型無線連線的太空飛行器群取代今天的整體式衛星,每個太空飛行器都提供一個獨特的功能。
太空飛行器群中所有太空飛行器聯合起來的能力等於或超過今天的衛星,而且更靈活、成本更低。只通過向太空飛行器群里增加新的太空飛行器,就可更新網路、改變任務、並提供必要的基礎設施支持。
美國國防高級研究計畫局(DARPA)正在研究一個基本的新概念,這可能會從根本上改變衛星的設計、發射和使用方法—從低地球軌道到行星際空間。
以信息交換為紐帶的未來快速、靈活、分塊、自由飛行的太空飛行器—簡稱“F6系統”—將用特殊任務小平台群取代全功能型大衛星。這種“即插即用”的網路可以通過向衛星群中簡單增加新的衛星就可更新或改變其任務。
F6系統基本思想是要論證:不論任務或大小,既可以採用整體式太空飛行器—雖然這將是針對‘多個有效載荷’太空飛行器—也可以把此整體式太空飛行器分解成‘無線聯繫模組網路’或‘群’飛的、以網路形式工作的各個小型太空飛行器,提供與整體式太空飛行器相同或比其更多的功能,因此,這不是過去的那種編隊飛行演習,這是一組飛行著的小型太空飛行器,每一個太空飛行器執行一項獨特功能—不僅執行有效載荷或任務功能,而且還提供基礎設施支持。例如,可以是一個模組執行數據處理任務,另一個模組在執行數據下執行傳輸任務,而又另一個模組又在執行一項特殊有效載荷的任務。這個太空飛行器集群是‘即插即用’的,但沒有插頭。
系統論述與影響
分塊式概念邊緣在2006年4月的洛杉磯第四次太空快速回響會議上,布朗在與保羅•艾瑞曼克(布朗在博思艾倫諮詢公司的航空航天和國防戰略同事)的一篇聯合論文上大致闡述了他的概念,認為“分塊”是發展“太空回響”的最好辦法,他們將之定義為“空間系統對不確定性的快速反應能力。”
2008年2月,美國國防高級研究計畫局(DARPA)向四個承包商的團隊授予為期一年的F6系統第一階段契約,為首的是:軌道科學公司(13,648,758美元)、波音公司高級網路與空間系統(12,891,049美元)、諾斯羅普•格魯門公司空間和任務系統(6,159,866美元)和洛克希德•馬丁公司空間系統(5,762,781美元)。契約的授予和撥款金額基於承包商對所需開發的技術和預期效果做出的承諾,以及美國國防高級研究計畫局(DARPA)對這些承諾的可行性和對研究所需費用進行的評估。
納爾遜•皮得瑞
洛克希德•馬丁先進技術中心科技部主任
軌道科學公司與美國國際商用機器公司(IBM)、噴氣推進實驗所(JPL)、美國喬治亞理工學院(Georgia Institute of Technology)、太空開發公司(SpaceDev)和極光飛行科學公司(Au¬rora Flight Sciences)組成聯合開發團隊;波音公司與L3通訊公司(L3 Commu¬nications)、千年空間系統(Millennium Space Systems)、傲騰技術(Octant Technologies)以及國際科學套用公司(SAIC)組成聯合開發團隊;諾斯羅普•格魯門公司與阿連特技術系統公司(Alliant Tech Systems)、極光飛行科學公司、瞻博網路公司(Juniper Networks)、L3通信、英國航空航天系統公司(BAE Systems)、康奈爾大學、噴氣推進實驗所、麻省理工學院、南加州大學和維吉尼亞大學組成聯合開發團隊;洛克希德•馬丁公司與極光飛行科學公司、Colbaugh &Hein-sheimer諮詢公司、洛克希德•馬丁公司的綜合全球系統以及范德比爾特大學(Vanderbilt University)組成聯合開發團隊。
根據美國國防高級研究計畫局(DARPA),每個承包小組在第一階段將:
•開發使分塊式方法的關鍵技術。包括:功能強大的網路、可靠的無線通訊、分散式容錯計算、無線功率傳輸和自主群集導航。
•選擇一個對國家安全空間利益攸關的空間系統任務,並研發可完成這一任務的系統設計。
•開發一個可以使用計量經濟學工具的創新分析法,計量經濟學工具可以確定具有同等能力的分塊式空間系統和整體式“記載計畫”在風險調整後的費用和價值。
•開發一個改進的“硬體閉環測試”,這個測試採用一組網路計算機模擬設計的分塊太空飛行器。
這個項目中有一個重要的部分,尤其是第一階段,開發以價值為中心的設計方法學工具—利用數學工具回答經濟學問題。每一個開發人員都在開發方法,有來以美元的形式回答“靈活性的價值是什麼”。靈活性不是對一個系統的優度的定性衡量;基於靈活性的價值體現在太空飛行器能力上,一些方法允許開發者把投資運用於不同程度的靈活性的研究上,建立系統的靈活性。
第二階段的目標是在該階段的最後開始關鍵性設計審查(CDR),因此,在DARPA第3階段和第4階段準備建設硬體,用來在軌道上論證這個系統。這些階段的時間長度還沒有確切定下來,基本目標是在計畫啟動(2012年2月)後的四年內進行第一次發射。在每個階段結束時,我們將看到開發出多種工具,並出現不同水平的新知識。整個概念的“粘合劑”是網路;所以一旦有了網路,開放源碼無線數據通信協定就可以開發並且利用。因此可以想像,分塊式方法可以立即套用了。
歸根結底,F6是一個重要的論證項目,但在許多方面不能算是一個航天計畫,更多的是一種方法。
美國國防高級研究計畫局(DARPA)和一些承包商承認,最終阻礙軍事分塊衛星群開發的一個主要因素是:潛在用戶群中對這一計畫有著相當深的懷疑。在和可能的利益相關方討論時,聽到的關注多是:建造多個衛星和多個運載火箭的成本,以及他們是否能夠證明緊密群集導航和主要基礎設施在衛星間共享所需的技術能力,諸如電源、數據處理和通訊。
耳目一新
波音F6系統業務開發總監傑里•斯蒂諾維克(Jerry Stenovec)指出,採用分塊式方法幾乎可以被認為是一種“技術破壞者”-這是因為存在一個增大的故障容差,這個容差允許用戶在只有80%的解決方案時研發新的太空飛行器能力,然後隨著項目進程的發展逐漸加入剩餘解決方案的(也是最昂貴的)20%。
進展和可能性
F6系統概念所要求的一些關鍵技術和能力已經得到論證,如導航系統(該系統能夠使一群衛星自動定點在軌道上),正象美國國防高級研究計畫局(DARPA)最近進行的軌道快車實驗,兩顆衛星在軌道上交會後加進行維修和添加燃料。然而,另一些技術和能力需要進一步的開發和耐久性證明,諸如無線集群電源分享、在軌連網以及分散式計算。
決定性因素
有關人員承認,不管美國國防高級研究計畫局(DARPA)的項目多么成功,甚至不管未來的分塊式方法多么成功,並不是所有的系統或任務都將以同樣的方式分塊,有些可能根本不適合這個方法。每一顆新衛星、每一項任務的最後所採用的方法,取決於許多因素,其中包括任務本身、在軌壽命、利益相關方要求的安全度或可靠度,等等。
目標更高
斯蒂諾維克說,波音公司認為分塊式概念可用於地球軌道以外的空間。
就眼前來說,承包商認為到2012年他們能夠完成美國國防高級研究計畫局(DARPA)發射“功能‘概念論證’衛星群”的目標。從長遠觀點來看,如果這次論證成功,分塊式概念的運用前景尚不確定,但對其發展預期值是很高的。