天基航天裝備維修鏈體系構建與維修策略研究

張琳琳，廖興禾，侯興明

（航天工程大學，北京 101416）

0 引言

太空資產是國家戰略資產，對航天裝備實施高效、穩定、敏捷的維修保障，必然成為促進戰斗力提升的重要一環。航天裝備是用于實施和保障各類航天活動的系統、設備、設施和器材的統稱［1］，根據部署空間可以劃分為地基航天裝備和天基航天裝備。由于運行環境特殊，天基航天裝備維修保障在我國甚至世界上都是一大難題。目前，我國并沒有形成完整的天基航天裝備維修鏈，天基航天裝備主要依托遠程操控、重新發射航天器和航天員在軌維修等方式實施故障診斷和修復，維修能力弱、維修成本巨大、時效性較差。隨著天基航天裝備和航天任務的發展，未來會有數以萬計的航天器在太空中運行，依靠傳統的維修方式將無法適應天基航天裝備的保障需求。維修鏈可以將維修活動當中的所有實體節點通過物流網鏈和信息流網鏈有機連接起來，提升維修活動的柔性、敏捷性和保障效能，能夠適應天基航天裝備規模數量大、運行空間層次多、維修需求響應要求高的現實需求。

1 天基航天裝備維修鏈的基本認識

1.1 必要性與可行性

1.1.1 故障類型與數量分析

王亞坤等對2003-2021 年在軌航天器典型在軌故障進行了統計與分析［2］，如表1 所示，區分機械、電子、軟件和未知四類，對衛星故障類型進行了統計。其中，將電路短路、電池陣損耗等歸為電子類故障，將推進劑貯箱泄漏、翼板驅動機構堵轉等歸為機械類故障，將星載計算機軟件設計缺陷、遙控指令錯誤等歸為軟件類故障，其他不易分類的故障歸為“其他”。由統計分析可知，機械類故障占40%，電子類故障占32%，軟件類故障只占8%，硬件類故障占比遠高于軟件類故障。而相較于軟件故障，天基航天裝備的硬件故障是維修的重難點。

表1 機械、電子、軟件和其他故障類型統計Table 1 Statistics of mechanical，electronic，software and other failure types

1.1.2 故障程度研究

在軌故障按照影響程度可分為災難性（I 級）、嚴重（II 級）、一般（III 級）和輕微故障（IV 級）4 級。如表2 所示，羅勝中等對近10 年來天基航天裝備典型設備/部件在軌主要出現的故障進行分析［3］，對影響系統任務完成和平臺安全工作的災難性（I級）和嚴重故障（II 級）進行提煉總結，可以得出：災難性和嚴重故障主要集中在微波產品、供配電產品、數管及熱控產品以及指揮控制產品。除姿軌控計算機的災難性和嚴重故障主要在軟件安全方面外，絕大部分集中在硬件方面。

表2 天基航天裝備I 級、II 級故障模式Table 2 I/II lever on-orbit failrute mode of Space-based aerospace equipment

通過對故障類型、故障數量和故障程度的分析可以看出，天基航天裝備的主要故障類型和故障風險均來自于硬件，因此，本文主要討論對天基航天裝備硬件類故障的在軌維修鏈構建與維修策略。

目前應對衛星故障的措施多是在衛星出廠之前的改進提升，衛星等航天裝備一旦發射入軌，對于其硬件類故障的維修，主要是以航天員維修和發射備份衛星的傳統方式。目前大型天基航天裝備的研制周期為5～10 年，其中一半以上時間用于測試［4］，在軍事對抗、突發事件應急處置等應用中，從需求提出到發射準備的響應時間需要縮短到數月乃至數周，時間和經濟成本極大［5］。另一方面，航天員維修的數量和規模極有限，因此，真正實現硬件維修的在軌天基航天裝備占硬件故障在軌航天裝備的比例非常低。大量在軌運行的天基航天裝備處于帶有故障狀態運行，對航天任務有很大的潛在風險，降低了航天裝備自身的可靠性。

1.1.3 在軌維修的優勢

在軌維修的優勢主要體現在：一是相比于地基重新發射并再次部署，在軌維修直接從空間中實施抵近操作，不需要重新發射航天器，具有很高的效費比。二是通過構建天基在軌維修平臺，可以從天基平臺發射綜合服務星，提高天基航天裝備的維修速度。三是通過綜合服務星實施在軌模塊更換，能夠延長天基航天裝備的在軌壽命［6］。因此，相比于其他維修方式，在軌維修具有提高天基響應速度、實現航天裝備快速修復，延長在軌壽命等優勢。對于未來大量在軌運行的航天裝備，迫切需要構建敏捷、高效、柔性的天基航天裝備維修鏈，提高天基航天裝備在軌維修能力，也有利于彈性太空體系和太空攻防體系的建設。

1.2 內涵

結合研究現狀和天基航天裝備維修的主要內容，本文將天基航天裝備維修鏈表述為：以航天指揮控制中心、天基航天裝備維修平臺、天基航天裝備器材儲存節點、地面維修基地等保障實體和天基航天裝備需求主體為節點，通過節點間的信息流和物流，實施維修活動的保障網鏈。維修鏈對于裝備保障具有十分重要的作用，它可以看作是從后方維修基地到前端任務點位的一條維修需求響應鏈或網絡，協調維修保障行動［7］。

1.3 特點

天基航天裝備維修鏈與地基裝備維修鏈存在相似之處，但由于空間環境、裝備類型、保障模式與目的要求不同，二者之間存在一定差異，天基航天裝備維修鏈的特點體現在：體系性、復雜性、響應性、高技術性。

1.3.1 體系性

在軌維修任務是一個復雜系統，是通過在軌服務各子系統及其設備之間的體系運行而實施的維修活動［8］。要求構建能夠滿足天基航天裝備不同運行空間、不同航天任務、不同故障模式的維修需求的在軌維修鏈體系。因此，需要對在軌維修所需的信息鏈路、維修關鍵節點進行分析梳理，實現天基航天裝備維修的效能倍增。

1.3.2 復雜性

在軌維修是基于服務星與目標星動態變化的過程，這種動態性使得天基航天裝備維修成為一個復雜的優化問題［9］。一是天基航天裝備的動態復雜性。由于目標星和在軌服務星均運行于特定的空間軌道上，二者相對位置的變化將會改變在軌服務星對某個目標星的服務可行性，不同的位置也將導致不同的維修成本和代價；二是在軌維修任務規劃的復雜性。在維修任務規劃過程中，需要考慮服務星和目標星的時間-空間位置（即星歷計算）、航天器變軌可行性、航天器變軌的能耗，以及時間約束等，天基航天裝備維修鏈會產生不同的形態結構、保障主體和指揮控制方式，這都增加了在軌維修任務規劃的復雜程度和計算難度。

1.3.3 響應性

由于天基航天裝備具有高價值、高技術、高可靠性的要求，而航天任務又具有極強的時效性要求，因此，在裝備維修鏈運行過程中，一旦對保障主體的需求響應不及時或不準確，就會降低裝備維修效能、難以達成保障目標，很大程度上將影響航天任務的進程，最終可能造成任務失敗。因此，天基航天裝備維修鏈具有較高的響應性要求。

1.3.4 高技術性

天基航天裝備維修需要對航天技術、能源技術、材料技術、信息技術和人工智能等的綜合運用［10］，要求采用先進的智能技術、設備設施和管理方法，編配高技術知識的保障人員，爭取實現最佳的運行機制和支撐條件，通過運用諸如智能化裝備保障指揮決策、天基航天裝備物資投送路線設計等現代化手段，驅動維修鏈的高質量運行，促進天基航天裝備維修保障效率的提高。

2 天基航天裝備維修鏈體系設計

構建天基航天裝備維修鏈與構建地基裝備維修鏈的最大不同，在于地基裝備維修鏈的節點布設考慮的是兩點之間在地球表面的最優路線，而天基航天裝備維修鏈的節點布設，不僅要考慮節點之間的距離，還需要考慮天基航天裝備所處軌道高度、在軌運行規律、保障節點與需求節點是否共軌等關鍵的空間軌道因素。

隨著衛星發射任務的逐年增多，以及星座組網的常態運行，未來幾年低軌道的天基航天裝備數量將達到萬顆以上，而以地球靜止軌道為典型代表的高軌道也是各國競爭的重要高軌道，急需在這兩種軌道高度上形成與天基航天裝備發展相適應的在軌維修保障能力。同時，“月球以遠”的深空探測符合未來航天任務發展的趨勢，也是空間利益拓展的需要。因此，低軌道、高軌道和深空是構建天基航天裝備維修鏈的重要空間。此外，地基維修仍然是航天裝備維修的重要依托，許多在空間高度上無法完成的維修任務，仍然需要實施返廠維修。

2.1 天基航天裝備維修鏈體系架構

構建思路：如圖1 所示，基于天基航天裝備的部署空間、航天任務需求以及裝備維修特點，以地面航天指揮機構為維修鏈的指揮控制中心，以天基航天裝備維修需求點的分布為基礎，區分地面、低軌道、高軌道和深空4 層空間高度，構建以中心、基地、平臺等保障實體為維修關鍵節點，以節點間的維修/供應需求與維修/供應決策為信息流，以航天器變軌維修、空間儲備物資配送等為物流，實施維修活動的天基航天裝備維修鏈。

圖1 天基航天裝備維修鏈體系架構Fig.1 Architecture of space-based aerospace equipment maintenance chain

構建目的：改變傳統的逐級保障模式，利用信息網絡系統，將維修保障各實體節點連接為一個有機整體，對維修鏈中的物流、信息流進行優化，形成“前端維修節點——中繼維修平臺——后端維修基地”的三層級多節點天基航天裝備維修保障鏈路，每一級都有完整的存儲、配送、維修作業及信息處理能力，實現天基航天裝備高效、柔性、敏捷的“并行”維修保障。

2.2 關鍵節點

根據天基航天裝備維修鏈的概念內涵和特點，對關鍵節點進行梳理分析，主要包括航天指揮控制中心、需求節點、維修作業節點和物資儲供節點。

2.2.1 航天指控中心

航天指揮控制中心是天基航天裝備維修鏈的組織指揮節點，負責維修決策和供應決策的確定與發布，并在維修鏈運行全過程中實施監督與控制，是天基航天裝備維修鏈與航天任務指揮鏈密切結合的關鍵樞紐。

2.2.2 維修需求節點

天基航天裝備因其所處空間環境的特殊性，需要其具備高度的自主維修保障能力。因此，在維修鏈中，天基航天裝備本身既是前端維修保障節點，也是維修需求點，是維修需求和供應需求的發起端。這是天基航天裝備維修鏈的突出特點之一。

2.2.3 維修作業節點

天基航天裝備維修作業節點主要有前端維修節點、中繼維修平臺和后方維修基地。前端維修作業節點即天基航天裝備本身，實施自主維修；中繼維修平臺是介于地面與天基航天裝備之間的空間維修站點，可以將一定的維修資源、維修力量布設在一定的軌道高度，實施中繼維修；除了在天基航天裝備所處空間布設的維修作業節點之外，在地面依托建制維修人員與機構、研制廠所、承修機構等保障力量，構建后方維修基地，實施基地級維修。

2.2.4 物資儲供節點

物資器材儲備供應是維修保障重要的活動之一。天基航天裝備物資儲供節點根據空間位置，可劃分為地面后方儲備基地和空間儲備節點，根據裝備特點與任務布局，實施空間預置預儲和物資開發利用。

3 基于維修鏈的天基航天裝備維修策略

按照天基航天器運行軌道面，區分低軌道、高軌道、深空三類重要軌道，分析基于維修鏈的天基航天裝備維修策略。

3.1 平臺中繼維修與返廠維修相結合的低軌維修策略

研究所涉及的低軌道主要指距離地面300～400 km 的軌道面，其上運行的航天裝備主要是通信衛星、光學/雷達成像衛星、技術試驗衛星、偵察預警衛星。

一方面，空間站等大型天基平臺運行于該高度的軌道面上，便于為低軌道運行的航天裝備提供在軌維修服務；另一方面，相較于高軌道，運行在低軌道的航天裝備布局密集，能夠互為備份、執行同類任務的航天裝備較多，且航天裝備運行高度較低，必要時可返回地面實施后端維修。因此，低軌道航天裝備可以考慮采取天基平臺中繼維修與返廠維修相結合的維修策略。

如圖2 所示，當前端維修無法完成故障修復時，由天基航天裝備（維修需求點）將維修需求信息發送至航天指揮控制中心，航天指揮控制中心將定下的維修決心發送至匹配的中繼維修平臺，由平臺所屬的在軌服務航天器變軌靠近被保障天基航天裝備，或由被保障的天基航天裝備變軌靠近在軌服務航天器實施維修保障［11-12］。中繼在軌維修平臺主要任務是實施在軌加注、模塊更換等維修保障任務，同時常態化開展在軌巡檢巡修任務。當出現重大故障，或由航天指揮控制中心判斷中繼維修平臺無法完成維修任務時，航天指揮控制中心將多個對象的需求信息進行處理并反饋到后端維修基地，使得需求信息通過維修鏈得到快速響應，后端維修基地將維修任務分發給匹配的維修機構，完成高效準確的信息流轉。后方維修機構通過遠程技術支持、備件補充、發射備份衛星、航天器返廠維修等方式，對航天裝備實施基地級維修。

圖2 低軌維修策略Fig.2 Low orbit maintenance strategy

中繼維修平臺建設是未來天基航天裝備維修鏈建設的重難點。低軌道空間上，以空間站、空天飛機、航天飛機、軌道間快速機動飛行器等運行在低軌道高度的航天器為中繼維修平臺的保障主體，對被保障航天裝備實施靠前維修保障。主要的維修技術手段有專用維修工具、空間操控技術、在軌加注技術以及人- 機協同技術等。由于低軌道靠近地球，可以考慮從后方儲備基地直接將維修物資配送至低軌道中繼維修平臺或被保障航天裝備本身，對天基航天裝備實施就近配送。

3.2 任務式維修與預置預儲相結合的高軌維修策略

高軌道主要指距離地面高度大于20 000 km 的軌道面，其中，距離地面高度35 786 km 的地球靜止軌道是重要的高軌資源。高軌道運行的主要是寬帶/窄帶通信衛星、通信中繼衛星、微波成像衛星、偵察預警衛星等高價值航天裝備。與中低軌道運行的航天裝備相比，運行在靜地軌道的航天裝備所處的空間環境更惡劣，更容易受到太空物體的撞擊以及空間高能粒子的轟擊而失效。采取有效方法實施在軌維修，將極大提高高軌航天裝備的在軌工作時間，提高其使用壽命和效能。因高軌航天裝備分布較分散，構建集中類的大型維修平臺的效費比較低。針對高價值的高軌衛星，在軌維修策略主要考慮發射小質量服務星抵近目標星實施在軌維修，構建任務式維修保障。

如圖3 所示，在35 780 km 的地球靜止軌道等重要的高軌道，以高軌綜合服務站、高軌機動指控飛行器、綜合服務衛星等為高軌道服務星［13］，通過服務星變軌抵近，直接對被保障航天裝備實施在軌加注、ORU 拆卸更換、修理與重裝、巡檢巡修等維修保障。另一方面，借鑒美軍“馬賽克”戰及分布式作戰的思路，在高軌道發展數量多、質量小、高效、實用的小型軌道儲備倉，盡可能擴大儲備節點的數量，相近的空間儲備倉之間可實施物資調劑，構建“單體量小、總體量大、相互支撐”的高軌航天裝備維修物資預置體系，使空間儲備節點既有冗余，又不易形成儲備重心，能夠有效提升維修鏈儲備節點的柔性與敏捷性。在太空中主要儲備保管期限長、需求數量多、影響裝備性能的關鍵部組件，對太空行動中的天基航天裝備實施及時有效的維修保障。

圖3 高軌維修策略Fig.3 High orbit maintenance strategy

與此同時，在地面構建與太空預置儲備節點不同的后方儲備基地，根據任務需求、裝備特點、備件需求、保管期限等因素，采取實物儲備、經費儲備、合同儲備相結合的儲備方式，重點加強器材物資的戰略儲備、集中投放、統一掌控，確保能夠在航天任務的有效時間內、在重點軌道或空間區域，維持天基航天裝備維修鏈的穩定運行。

3.3 固定基地維修與深空天體資源利用相結合的深空維修策略

深空是指距離地球表面大于384 000 km 以外的太空空間。根據2000 年發布的《中國的航天》白皮書的定義，國內將對地球以外天體開展的空間探測活動稱為深空探測。因深空遠離地球，依托后方維修基地實施返廠維修的可能性較小，因此，執行深空任務的天基航天裝備首先是依靠健康管理系統［14］等技術實施自主維修。隨著人類對深空領域的探索任務不斷深入，未來考慮在深空構建月球（星球）保障基地、行星際保障基地、恒星際保障基地、星系際保障等基地，能夠對天基航天裝備實施綜合維修保障的深空大型保障基地，通過被保障天基航天裝備變軌等空間操控，就近實施定點維修保障。同時，由于深空距離地球過遠，無法依靠后方儲備基地提供物資補充。如下頁圖4 所示，對執行深空任務的天基航天裝備，維修策略考慮構建月球儲備基地、行星際儲備基地、恒星際儲備基地、星系際儲備基地等，具備供應需求響應、供應決策能力的深空儲備節點，通過開展深空天體資源開發利用，對執行深空任務的天基航天裝備實施維修保障和物資供應。不斷推進天基航天裝備維修保障從地面向太空、從低軌道向高軌道、從近地向深空拓展延伸，為太空任務的發展提供天基航天裝備保障基礎。

圖4 深空維修策略Fig.4 Deep space maintenance strategy

4 結論

構建高效、敏捷、柔性、可持續的天基航天裝備維修鏈，是順利完成太空任務的重要前提和基礎。目前針對航天裝備維修鏈尚無系統科學的研究，下一步將重點研究天基航天裝備維修鏈的運行規律，分析影響維修鏈運行效能的主要因素；運用群決策理論與雙層混合整數規劃建模仿真等方法，研究維修鏈各層級的維修保障節點的數量規模及選址決策；分析天基航天裝備機動變軌策略［15］，在軌服務范圍的確立［16］、空間預置預儲器材品種的選擇及需求預測等方面開展定量研究；優化設計維修鏈路，增強維修鏈路拓撲結構的魯棒性［17］，提升維修鏈路的抗毀傷能力，實現短時建鏈、穩態建鏈，適應未來智能化航天裝備和太空任務對維修保障的要求。