卫星可以“分身”，并非天方夜谭。这是美军目前正在研发的具备“分身术”的新卫星，这种新型卫星系统采用了模块化和组合的概念。传统间谍卫星上的重要部件，如间谍相机、各种高技术传感器等将作为一个个单独的功能模块，运行在卫星主体附近，从而形成功能完善的虚拟卫星。一旦某个模块被敌方击落，新的模块将很快更换上去，仍能够完成原有卫星的各项功能。
“分身”为生存
当今军用航天器普遍体形巨大、功能复杂，一颗军用卫星从研制到发射，周期长达5～10年。这就产生一个明显弊端：由于技术在飞速进步，当卫星从设计到制造完成再到发射升空，一些零部件往往过时陈旧；为了防止运行时因部件老化而发生故障，卫星上必须配备很多备用部件，这样一来，整个系统难免臃肿复杂，而成本也会直线飙升。同时，目前的大型卫星普遍存在着一个致命弱点，那就是一旦发射失败，后果不堪设想。即使一个小小的软件编程纰漏或者某个部件功能失效，都可能导致整个计划前功尽弃。造成的后果是几十亿美元打了水漂，十几年心血也付之东流。究其原因主要有两个方面，一是传统卫星物理结构的一体化，即有效载荷与保障有效载荷正常工作的动力、指控和通信等分系统形成一个整体结构，各分系统互相依靠又互相约束，研制过程中任何一个部件或分系统出现问题，都将影响整个系统的研制和使用。二是目前的卫星都是一次使用的，缺乏可维修的设计，发射后一旦任何子系统出现故障都将导致整个系统丧失功能。
既然问题出自以上两个方面，那么解决问题就可以从这两个方面入手。于是，一些科学家提出了解决之道：一是在航天器模块化和标准化的基础上，大力发展在轨服务技术，期望通过自主在轨加注燃料、模块更换或升级等技术手段提高航天器的生存能力。2007年3月发射的“轨道快车”是这一发展思路的一次重要实践，两个航天器成功进行了在轨的空间维护和燃料的加注(参看本刊2007年6月号)；另一个发展方向则是采用分布式卫星系统，即由一群小卫星编队飞行构成一颗虚拟的大卫星，以替代复杂的大卫星工作。沿着第二条思路深入思考，科学家们提出了“分离模块航天器”(fractionated spacecramodules)的概念，就是说把一个航天器按功能分解为有效载荷、动力、能源、通信等专门模块。这些模块采用物理分离，通过编队飞行和无线传输方式构成一颗虚拟的大卫星，以便完成特定的任务。
这种“分离模块航天器”的概念一经提出，很快得到了美国军方的高度关注，成为近年航天领域的热点话题。美国五角大楼国防高级研究计划局(DARPA)正是为了试验这种理念而投资发展了F6计划。F6代表“未来、快速、灵活、自由飞行、模块化航天器”(Future，Fast，Flexible，Free-Flying，Fmctionated spacecraft)中的6个英文词的词头F，项目的目标是验证一种完成空间任务的新方法。美国《国防》杂志报道，这种名为“F6计划”的卫星系统具备迅速快捷、机动性强和便于更换等优点，它将让美国军方十分轻松地将过期或损坏的卫星零部件更换掉。美国国防高级研究计划局透露，与传统的动辄重达数吨的卫星不同，这种新型卫星系统采用了模块化和组合的概念。该项目总经理布朗一再强调，这一计划的关键词就是五个字——机动灵活性。与传统航天器相比，F6计划优点可谓不少。在航天器的设计使用寿命期间，计划管理者可以随时更换其软硬件，这只需发送一个小小的、更加便宜的功能模块补充进卫星群，卫星系统就可以提升性能或者解决故障。新型卫星系统还有一个独门本领，可以通过发射不同的组件，方便地转换卫星系统的用途。比如，通过调整卫星群的组成，美军可以把一颗间谍卫星方便地转变成一颗军用通信卫星。
“分身术”计划揭秘
F6计划也可以称为“分身术”计划，因为其实质是建立一种面向未来的灵活、高效的航天器体系结构，将传统的卫星按功能分解为可重新组合的分离模块。各模块可以独立发射，在轨运行时通过无线数据连接和无线能量传输，构成一个功能完整的虚拟卫星，使得该系统具备了构件重新组合和改变功能的能力。
美国国防高级研究计划局，并不是第一家探索研究将航天器分成多个独立部分进行发射的美国机构。2005年9月，美国麻省理工大学的科学家们曾经提出了发展分离型航天器的概念，美国国防高级研究计划局和空军实验室随后也分别开展了一些相关概念的研究。美国航空航天局也研究过类似的概念，曾考虑分别发射多个天文探测器到太空，把它们组合成1个巨大的“稀疏孔径”望远镜来执行天文观测任务。美国空军研究实验室位于新墨西哥州的空间飞行器部已经考虑利用“稀疏孔径”概念进行空间侦察。
2007年4月，在美国科罗拉多州举行的国家空间研讨会上，美国国防高级研究计划局负责人安东尼·泰德表示，如果概念可行，那么将来有可能利用几枚小型运载火箭将一颗大型卫星分块发射。安东尼称，“即使一枚运载火箭发射失败，也不会毁掉整颗卫星，因为卫星只失去了其中一部分。”2007年7月24日和25日，围绕与F6项目相关的关键技术攻关和集成演示验证系统，美国国防高级研究计划局分别组织展开了公开和保密的“主题工作日”活动。参加此次活动的著名公司和实验室包括波音公司、通用动力公司、轨道科学公司、喷气推进实验室和海军研究实验室等。美国国防高级研究计划局有意区分公开与保密的活动，充分表明F6项目不仅在民用领域具有重要影响，而且在军事航天领域有着强大的应用前景。而且如此多的单位参与此次活动，也表明F6蕴含的技术以及应用前景拥有巨大的吸引力，得到了航天界的认可。
美国国防高级研究计划局计划分4个阶段实施F6计划，前三个阶段主要开展概念研究、设计评估同时突破关键技术，以及完成地面试验和集成，第四个阶段是发射升空，并进行在轨演示验证。
第一阶段进行项目的概念设计，完成在轨动力学的研究、设计项目框架，同时完成预先设计。除此之外，合同承包团队还将开发基于硬件回路的试验台，该试验台将对“分离模块航天器”的任务进行软件模拟；第二阶段将完成系统的详细设计，同时在硬件试验环境下开发更多实用的硬件部件；第三阶段进行航天器硬件制造、广泛的地面试验和系统集成，研发团队必须演示满足网络试验和发射需求的能力；第四阶段将在轨演示“分离模块航天器”系统。
F6计划还提出了这样的目标：每个航天器模块均为小卫星或者微小卫星级别，质量小于300千克；在项目开始后四年内进行首次发射；各个航天器模块通过多次发射形成分布式结构；发射运载器要使用美国制造的可用于商业发射的运载火箭；完成最后一次发射的航天器在轨寿命至少一年。
“分身”有“术”
若想卫星能够“分身”，就要做到“分身”有“术”，就是说F6计划面临一些关键技术的挑战。首先，模块化技术是必不可少的。这项技术是指，为了开发具有多种功能的不同系统，不必对每种系统进行单独设计，而是设计出多种通用或标准模块，对其进行不同方式的组合以构成不同的系统。这里包含两层意思，一是对航天器按照标准化和可组装的原则进行分解，形成系列的通用或标准模块；二是对通用或标准模块进行选取和重新组合，以得到满足特定功能的航天器。
无线传输技术是实现“分离模块航天器”的核心关键技术，包括无线数据和能量等在不同模块之间的无线传输技术。无线数据传输技术是比较成熟的技术，在实际工程中已有较多应用。在F6计划中，其目标是建立适用于空间环境下无线传输的网络协议，在各模块之间实现安全、可靠的无线通信。无线能量传输主要是指无线电力传输，该技术已经研究多年，具有一定的基础。无线电力传输技术最早来源于在太空建立太阳能电站，向地球传送电力的设想。空间太阳能电站的工作原理是：在宇宙空间的太阳能电站聚集大量阳光，利用光电转换产生直流电，并通过相应的装置将直流电变换成微波，以微波波束的形式传输到太空用户或者地球上的用户。国外对该设想投A7大量的人力和财力，美国、日本、俄罗斯等国都进行了大量的研究，并取得了一定的突破，这给无线电力传输技术提供了很好的发展平台。目前，各国研究的无线电力传输主要采用微波和激光两种方式。激光传输的特点是系统重量和尺寸较小，但是传输时损耗较大，比较适合于近距离使用；微波传输的特点是系统重量尺寸大，能量不太容易集中。目前这两种方式的最大问题在干能量传输效率较低，但由于“分离模块航天器”的各个模块在太空中的相对距离较近，传输能量损耗低，因此，实现无线电力传输的近期工程应用是完全有可能的。
随着分布式卫星系统发展的推动，编队飞行控制技术已经属于成熟技术。同时，在编队飞行的控制和测量的精度要求上，实现分离模块编队飞行要比实现分布式卫星编队飞行的要求还低。F6的设计目标是实现自主、安全、自防护编队导航，具有虚拟对接和队形变换的功能。在部分模块失效和遭受敌方攻击时，系统具有快速重构编队的能力。
网络化技术的目标是使“分离模块航天器”构成一个自组织网络，具有高可靠性和高可用性，同时还具备即插即用的特性。网络化技术还将发展标准化的软件和硬件接口，使得数据包和多种标准航天器组件进入网络时，可以进行唯一的地址标识。
F6计划的无线网络工作形式，也意味着在不同模块之间进行分布式计算是很有可能的。所谓分布式计算是一门计算机科学，它研究如何把一个大型任务分成许多小的部分，然后把这些小部分的任务分配给许多计算单元进行处理，最后再把这些计算结果综合起来得到最终的结果。F6计划对分布式计算技术的要求是实现具备可扩充性、自适应和容错性能的分布式计算能力，能够保证在轨运行的部分模块失效时，剩余的模块仍然能够“保持生存”(Keep Alive)，直到替换模块插入时恢复系统功能。“保持生存”主要是指两个方面：一是指保持电力供应和安全的热防护；二是指能够接收命令，同时传输状态数据给其它模块。
F6计划试验的新技术，代表了航天器设计与应用理念的转变。在美国，这种理念已经引起了广泛的关注，成为最近一年来军事航天领域最具革命性的技术之一，那么F6计划所要试验的分离模块重组技术的优越性到底体现在什么地方呢?
F6计划将推动美国国防高级研究计划局，使用大批私营企业的小型运载火箭将一颗大卫星分批发射入轨。通过分解发射，适应了小型运载火箭的快速或机动发射的趋势，大大提高了空间系统的快速响应性。
采用分块发射后，即使发射失败也只损失卫星很小的一部分，不会产生过于严重的影响，从而大大降低了发射费用与风险。
对太空任务或服务需求有变化时，不需要再发射新型航天器，只要发射有效载荷模块即可对在轨系统的功能进行快速变化、扩展或者升级，大大增强了空间系统的在轨部署能力，最大程度发挥了在轨系统的综合效益。
面对自然或人为的太空威胁或者当某一模块受到损坏时，通过快速发射补充模块，就可以迅速恢复空间力量，提高了系统的生存能力。
F6项目试验的“分离模块航天器”技术在反卫星领域也有用武之地。首先，传统航天器的太阳能帆板的尺寸较大，非常不利于机动。采用“分离模块航天器”的构想后，太阳能帆板与攻击模块分离，抛弃了影响机动能力的无用模块，对提高响应的快速性与机动能力大有好处；其次，可以在战时快速把普通载荷模块替换为攻击模块，让敌方难以察觉。
综上所述，“分离模块航天器”在功能上等同于一颗虚拟的大型卫星，其实质是将一个航天器的质量和故障风险分解到多个功能模块，是卫星技术革命性的发展方向之一。美国从2007年开始大力推进F6项目的研制，一旦试验成功后，将使航天产业和空间对抗方式发生重大变化。
责任编辑：兆然