天基航天装备维修链体系构建与维修策略研究

张琳琳，廖兴禾，侯兴明

（航天工程大学，北京 101416）

0 引言

太空资产是国家战略资产，对航天装备实施高效、稳定、敏捷的维修保障，必然成为促进战斗力提升的重要一环。航天装备是用于实施和保障各类航天活动的系统、设备、设施和器材的统称［1］，根据部署空间可以划分为地基航天装备和天基航天装备。由于运行环境特殊，天基航天装备维修保障在我国甚至世界上都是一大难题。目前，我国并没有形成完整的天基航天装备维修链，天基航天装备主要依托远程操控、重新发射航天器和航天员在轨维修等方式实施故障诊断和修复，维修能力弱、维修成本巨大、时效性较差。随着天基航天装备和航天任务的发展，未来会有数以万计的航天器在太空中运行，依靠传统的维修方式将无法适应天基航天装备的保障需求。维修链可以将维修活动当中的所有实体节点通过物流网链和信息流网链有机连接起来，提升维修活动的柔性、敏捷性和保障效能，能够适应天基航天装备规模数量大、运行空间层次多、维修需求响应要求高的现实需求。

1 天基航天装备维修链的基本认识

1.1 必要性与可行性

1.1.1 故障类型与数量分析

王亚坤等对2003-2021 年在轨航天器典型在轨故障进行了统计与分析［2］，如表1 所示，区分机械、电子、软件和未知四类，对卫星故障类型进行了统计。其中，将电路短路、电池阵损耗等归为电子类故障，将推进剂贮箱泄漏、翼板驱动机构堵转等归为机械类故障，将星载计算机软件设计缺陷、遥控指令错误等归为软件类故障，其他不易分类的故障归为“其他”。由统计分析可知，机械类故障占40%，电子类故障占32%，软件类故障只占8%，硬件类故障占比远高于软件类故障。而相较于软件故障，天基航天装备的硬件故障是维修的重难点。

表1 机械、电子、软件和其他故障类型统计Table 1 Statistics of mechanical，electronic，software and other failure types

1.1.2 故障程度研究

在轨故障按照影响程度可分为灾难性（I 级）、严重（II 级）、一般（III 级）和轻微故障（IV 级）4 级。如表2 所示，罗胜中等对近10 年来天基航天装备典型设备/部件在轨主要出现的故障进行分析［3］，对影响系统任务完成和平台安全工作的灾难性（I级）和严重故障（II 级）进行提炼总结，可以得出：灾难性和严重故障主要集中在微波产品、供配电产品、数管及热控产品以及指挥控制产品。除姿轨控计算机的灾难性和严重故障主要在软件安全方面外，绝大部分集中在硬件方面。

表2 天基航天装备I 级、II 级故障模式Table 2 I/II lever on-orbit failrute mode of Space-based aerospace equipment

通过对故障类型、故障数量和故障程度的分析可以看出，天基航天装备的主要故障类型和故障风险均来自于硬件，因此，本文主要讨论对天基航天装备硬件类故障的在轨维修链构建与维修策略。

目前应对卫星故障的措施多是在卫星出厂之前的改进提升，卫星等航天装备一旦发射入轨，对于其硬件类故障的维修，主要是以航天员维修和发射备份卫星的传统方式。目前大型天基航天装备的研制周期为5～10 年，其中一半以上时间用于测试［4］，在军事对抗、突发事件应急处置等应用中，从需求提出到发射准备的响应时间需要缩短到数月乃至数周，时间和经济成本极大［5］。另一方面，航天员维修的数量和规模极有限，因此，真正实现硬件维修的在轨天基航天装备占硬件故障在轨航天装备的比例非常低。大量在轨运行的天基航天装备处于带有故障状态运行，对航天任务有很大的潜在风险，降低了航天装备自身的可靠性。

1.1.3 在轨维修的优势

在轨维修的优势主要体现在：一是相比于地基重新发射并再次部署，在轨维修直接从空间中实施抵近操作，不需要重新发射航天器，具有很高的效费比。二是通过构建天基在轨维修平台，可以从天基平台发射综合服务星，提高天基航天装备的维修速度。三是通过综合服务星实施在轨模块更换，能够延长天基航天装备的在轨寿命［6］。因此，相比于其他维修方式，在轨维修具有提高天基响应速度、实现航天装备快速修复，延长在轨寿命等优势。对于未来大量在轨运行的航天装备，迫切需要构建敏捷、高效、柔性的天基航天装备维修链，提高天基航天装备在轨维修能力，也有利于弹性太空体系和太空攻防体系的建设。

1.2 内涵

结合研究现状和天基航天装备维修的主要内容，本文将天基航天装备维修链表述为：以航天指挥控制中心、天基航天装备维修平台、天基航天装备器材储存节点、地面维修基地等保障实体和天基航天装备需求主体为节点，通过节点间的信息流和物流，实施维修活动的保障网链。维修链对于装备保障具有十分重要的作用，它可以看作是从后方维修基地到前端任务点位的一条维修需求响应链或网络，协调维修保障行动［7］。

1.3 特点

天基航天装备维修链与地基装备维修链存在相似之处，但由于空间环境、装备类型、保障模式与目的要求不同，二者之间存在一定差异，天基航天装备维修链的特点体现在：体系性、复杂性、响应性、高技术性。

1.3.1 体系性

在轨维修任务是一个复杂系统，是通过在轨服务各子系统及其设备之间的体系运行而实施的维修活动［8］。要求构建能够满足天基航天装备不同运行空间、不同航天任务、不同故障模式的维修需求的在轨维修链体系。因此，需要对在轨维修所需的信息链路、维修关键节点进行分析梳理，实现天基航天装备维修的效能倍增。

1.3.2 复杂性

在轨维修是基于服务星与目标星动态变化的过程，这种动态性使得天基航天装备维修成为一个复杂的优化问题［9］。一是天基航天装备的动态复杂性。由于目标星和在轨服务星均运行于特定的空间轨道上，二者相对位置的变化将会改变在轨服务星对某个目标星的服务可行性，不同的位置也将导致不同的维修成本和代价；二是在轨维修任务规划的复杂性。在维修任务规划过程中，需要考虑服务星和目标星的时间-空间位置（即星历计算）、航天器变轨可行性、航天器变轨的能耗，以及时间约束等，天基航天装备维修链会产生不同的形态结构、保障主体和指挥控制方式，这都增加了在轨维修任务规划的复杂程度和计算难度。

1.3.3 响应性

由于天基航天装备具有高价值、高技术、高可靠性的要求，而航天任务又具有极强的时效性要求，因此，在装备维修链运行过程中，一旦对保障主体的需求响应不及时或不准确，就会降低装备维修效能、难以达成保障目标，很大程度上将影响航天任务的进程，最终可能造成任务失败。因此，天基航天装备维修链具有较高的响应性要求。

1.3.4 高技术性

天基航天装备维修需要对航天技术、能源技术、材料技术、信息技术和人工智能等的综合运用［10］，要求采用先进的智能技术、设备设施和管理方法，编配高技术知识的保障人员，争取实现最佳的运行机制和支撑条件，通过运用诸如智能化装备保障指挥决策、天基航天装备物资投送路线设计等现代化手段，驱动维修链的高质量运行，促进天基航天装备维修保障效率的提高。

2 天基航天装备维修链体系设计

构建天基航天装备维修链与构建地基装备维修链的最大不同，在于地基装备维修链的节点布设考虑的是两点之间在地球表面的最优路线，而天基航天装备维修链的节点布设，不仅要考虑节点之间的距离，还需要考虑天基航天装备所处轨道高度、在轨运行规律、保障节点与需求节点是否共轨等关键的空间轨道因素。

随着卫星发射任务的逐年增多，以及星座组网的常态运行，未来几年低轨道的天基航天装备数量将达到万颗以上，而以地球静止轨道为典型代表的高轨道也是各国竞争的重要高轨道，急需在这两种轨道高度上形成与天基航天装备发展相适应的在轨维修保障能力。同时，“月球以远”的深空探测符合未来航天任务发展的趋势，也是空间利益拓展的需要。因此，低轨道、高轨道和深空是构建天基航天装备维修链的重要空间。此外，地基维修仍然是航天装备维修的重要依托，许多在空间高度上无法完成的维修任务，仍然需要实施返厂维修。

2.1 天基航天装备维修链体系架构

构建思路：如图1 所示，基于天基航天装备的部署空间、航天任务需求以及装备维修特点，以地面航天指挥机构为维修链的指挥控制中心，以天基航天装备维修需求点的分布为基础，区分地面、低轨道、高轨道和深空4 层空间高度，构建以中心、基地、平台等保障实体为维修关键节点，以节点间的维修/供应需求与维修/供应决策为信息流，以航天器变轨维修、空间储备物资配送等为物流，实施维修活动的天基航天装备维修链。

图1 天基航天装备维修链体系架构Fig.1 Architecture of space-based aerospace equipment maintenance chain

构建目的：改变传统的逐级保障模式，利用信息网络系统，将维修保障各实体节点连接为一个有机整体，对维修链中的物流、信息流进行优化，形成“前端维修节点——中继维修平台——后端维修基地”的三层级多节点天基航天装备维修保障链路，每一级都有完整的存储、配送、维修作业及信息处理能力，实现天基航天装备高效、柔性、敏捷的“并行”维修保障。

2.2 关键节点

根据天基航天装备维修链的概念内涵和特点，对关键节点进行梳理分析，主要包括航天指挥控制中心、需求节点、维修作业节点和物资储供节点。

2.2.1 航天指控中心

航天指挥控制中心是天基航天装备维修链的组织指挥节点，负责维修决策和供应决策的确定与发布，并在维修链运行全过程中实施监督与控制，是天基航天装备维修链与航天任务指挥链密切结合的关键枢纽。

2.2.2 维修需求节点

天基航天装备因其所处空间环境的特殊性，需要其具备高度的自主维修保障能力。因此，在维修链中，天基航天装备本身既是前端维修保障节点，也是维修需求点，是维修需求和供应需求的发起端。这是天基航天装备维修链的突出特点之一。

2.2.3 维修作业节点

天基航天装备维修作业节点主要有前端维修节点、中继维修平台和后方维修基地。前端维修作业节点即天基航天装备本身，实施自主维修；中继维修平台是介于地面与天基航天装备之间的空间维修站点，可以将一定的维修资源、维修力量布设在一定的轨道高度，实施中继维修；除了在天基航天装备所处空间布设的维修作业节点之外，在地面依托建制维修人员与机构、研制厂所、承修机构等保障力量，构建后方维修基地，实施基地级维修。

2.2.4 物资储供节点

物资器材储备供应是维修保障重要的活动之一。天基航天装备物资储供节点根据空间位置，可划分为地面后方储备基地和空间储备节点，根据装备特点与任务布局，实施空间预置预储和物资开发利用。

3 基于维修链的天基航天装备维修策略

按照天基航天器运行轨道面，区分低轨道、高轨道、深空三类重要轨道，分析基于维修链的天基航天装备维修策略。

3.1 平台中继维修与返厂维修相结合的低轨维修策略

研究所涉及的低轨道主要指距离地面300～400 km 的轨道面，其上运行的航天装备主要是通信卫星、光学/雷达成像卫星、技术试验卫星、侦察预警卫星。

一方面，空间站等大型天基平台运行于该高度的轨道面上，便于为低轨道运行的航天装备提供在轨维修服务；另一方面，相较于高轨道，运行在低轨道的航天装备布局密集，能够互为备份、执行同类任务的航天装备较多，且航天装备运行高度较低，必要时可返回地面实施后端维修。因此，低轨道航天装备可以考虑采取天基平台中继维修与返厂维修相结合的维修策略。

如图2 所示，当前端维修无法完成故障修复时，由天基航天装备（维修需求点）将维修需求信息发送至航天指挥控制中心，航天指挥控制中心将定下的维修决心发送至匹配的中继维修平台，由平台所属的在轨服务航天器变轨靠近被保障天基航天装备，或由被保障的天基航天装备变轨靠近在轨服务航天器实施维修保障［11-12］。中继在轨维修平台主要任务是实施在轨加注、模块更换等维修保障任务，同时常态化开展在轨巡检巡修任务。当出现重大故障，或由航天指挥控制中心判断中继维修平台无法完成维修任务时，航天指挥控制中心将多个对象的需求信息进行处理并反馈到后端维修基地，使得需求信息通过维修链得到快速响应，后端维修基地将维修任务分发给匹配的维修机构，完成高效准确的信息流转。后方维修机构通过远程技术支持、备件补充、发射备份卫星、航天器返厂维修等方式，对航天装备实施基地级维修。

图2 低轨维修策略Fig.2 Low orbit maintenance strategy

中继维修平台建设是未来天基航天装备维修链建设的重难点。低轨道空间上，以空间站、空天飞机、航天飞机、轨道间快速机动飞行器等运行在低轨道高度的航天器为中继维修平台的保障主体，对被保障航天装备实施靠前维修保障。主要的维修技术手段有专用维修工具、空间操控技术、在轨加注技术以及人- 机协同技术等。由于低轨道靠近地球，可以考虑从后方储备基地直接将维修物资配送至低轨道中继维修平台或被保障航天装备本身，对天基航天装备实施就近配送。

3.2 任务式维修与预置预储相结合的高轨维修策略

高轨道主要指距离地面高度大于20 000 km 的轨道面，其中，距离地面高度35 786 km 的地球静止轨道是重要的高轨资源。高轨道运行的主要是宽带/窄带通信卫星、通信中继卫星、微波成像卫星、侦察预警卫星等高价值航天装备。与中低轨道运行的航天装备相比，运行在静地轨道的航天装备所处的空间环境更恶劣，更容易受到太空物体的撞击以及空间高能粒子的轰击而失效。采取有效方法实施在轨维修，将极大提高高轨航天装备的在轨工作时间，提高其使用寿命和效能。因高轨航天装备分布较分散，构建集中类的大型维修平台的效费比较低。针对高价值的高轨卫星，在轨维修策略主要考虑发射小质量服务星抵近目标星实施在轨维修，构建任务式维修保障。

如图3 所示，在35 780 km 的地球静止轨道等重要的高轨道，以高轨综合服务站、高轨机动指控飞行器、综合服务卫星等为高轨道服务星［13］，通过服务星变轨抵近，直接对被保障航天装备实施在轨加注、ORU 拆卸更换、修理与重装、巡检巡修等维修保障。另一方面，借鉴美军“马赛克”战及分布式作战的思路，在高轨道发展数量多、质量小、高效、实用的小型轨道储备仓，尽可能扩大储备节点的数量，相近的空间储备仓之间可实施物资调剂，构建“单体量小、总体量大、相互支撑”的高轨航天装备维修物资预置体系，使空间储备节点既有冗余，又不易形成储备重心，能够有效提升维修链储备节点的柔性与敏捷性。在太空中主要储备保管期限长、需求数量多、影响装备性能的关键部组件，对太空行动中的天基航天装备实施及时有效的维修保障。

图3 高轨维修策略Fig.3 High orbit maintenance strategy

与此同时，在地面构建与太空预置储备节点不同的后方储备基地，根据任务需求、装备特点、备件需求、保管期限等因素，采取实物储备、经费储备、合同储备相结合的储备方式，重点加强器材物资的战略储备、集中投放、统一掌控，确保能够在航天任务的有效时间内、在重点轨道或空间区域，维持天基航天装备维修链的稳定运行。

3.3 固定基地维修与深空天体资源利用相结合的深空维修策略

深空是指距离地球表面大于384 000 km 以外的太空空间。根据2000 年发布的《中国的航天》白皮书的定义，国内将对地球以外天体开展的空间探测活动称为深空探测。因深空远离地球，依托后方维修基地实施返厂维修的可能性较小，因此，执行深空任务的天基航天装备首先是依靠健康管理系统［14］等技术实施自主维修。随着人类对深空领域的探索任务不断深入，未来考虑在深空构建月球（星球）保障基地、行星际保障基地、恒星际保障基地、星系际保障等基地，能够对天基航天装备实施综合维修保障的深空大型保障基地，通过被保障天基航天装备变轨等空间操控，就近实施定点维修保障。同时，由于深空距离地球过远，无法依靠后方储备基地提供物资补充。如下页图4 所示，对执行深空任务的天基航天装备，维修策略考虑构建月球储备基地、行星际储备基地、恒星际储备基地、星系际储备基地等，具备供应需求响应、供应决策能力的深空储备节点，通过开展深空天体资源开发利用，对执行深空任务的天基航天装备实施维修保障和物资供应。不断推进天基航天装备维修保障从地面向太空、从低轨道向高轨道、从近地向深空拓展延伸，为太空任务的发展提供天基航天装备保障基础。

图4 深空维修策略Fig.4 Deep space maintenance strategy

4 结论

构建高效、敏捷、柔性、可持续的天基航天装备维修链，是顺利完成太空任务的重要前提和基础。目前针对航天装备维修链尚无系统科学的研究，下一步将重点研究天基航天装备维修链的运行规律，分析影响维修链运行效能的主要因素；运用群决策理论与双层混合整数规划建模仿真等方法，研究维修链各层级的维修保障节点的数量规模及选址决策；分析天基航天装备机动变轨策略［15］，在轨服务范围的确立［16］、空间预置预储器材品种的选择及需求预测等方面开展定量研究；优化设计维修链路，增强维修链路拓扑结构的鲁棒性［17］，提升维修链路的抗毁伤能力，实现短时建链、稳态建链，适应未来智能化航天装备和太空任务对维修保障的要求。