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微纳米技术推动国际微小卫星研发:皮、纳卫星发展现状

供稿人:于清华  供稿时间:2006-1-25   关键字:微纳米技术  微小卫星  皮卫星  纳卫星  
自1957年10月4日前苏联发射第一颗人造地球卫星以来的四十多年中,空间技术取得了巨大进展,卫星在重量、功能、应用领域等方面发生了巨大变化。80年代,数吨重的大卫星成为航天工业的主流产品,但90年代以来,重量轻、成本低、性能好的微小卫星,开始被国际航天界所关注,并迅速发展起来。
 
随着微电子技术的发展,特别是近年来以微型机电系统(MEMS)和微型光机电系统(MOEMS)为代表的微米/纳米技术的发展,使微型卫星、纳卫星和皮卫星等微小卫星的实现成为可能。
 
纳卫星(NanoSat)通常指质量小于10公斤、具有实际使用功能的卫星。它是基于微电子技术、微机电技术、微光电技术等微米/纳米技术而发展起来的,体现了航天器微小化的发展趋势。现已经发射的纳卫星有:俄罗斯航天研究院的SPUTNIK-2卫星、美国的Bitsy卫星、AUSat卫星、PICOSAT卫星、英国的SNAP-1卫星等。为了降低发射费用,纳卫星多采用一箭多星的搭载方式发射。
 
纳卫星技术研究及其组网应用技术是国际卫星技术研究的热点之一,属高新技术探索范畴。主要应用在通信、军事、地质勘探、环境与灾害监测、交通运输、气象服务、科学实验、深空探测等方面。
 
我国首颗纳卫星“THNS-1”已于2004年4月发射升空,它由航天清华卫星技术有限公司研制,充分利用了近年国内微米/纳米技术的研究成果,采用一体化设计与系统集成的设计制造方法,并将对CMOS相机、MIMU、GPS等关键载荷进行搭载实验,在此基础上将重点开展纳卫星的组网与“虚拟卫星”应用关键技术研究。
 
皮卫星(PicoSat)通常指质量小于1公斤的微小卫星,以微型机电系统(MEMS)技术为核心,由于质量很轻,可不使用高成本的大型运载工具进行发射,其成本可比一般卫星大大降低;此外,皮卫星的研制将不再需要大型的实验设施和高跨度厂房,因此目前大学等研究机构是研制皮卫星的主要科研力量。在大学的实验室里研制皮卫星,不仅可以降低它们的研制费用,而且研制生产的隐蔽性更强,有利于保密。
 
皮卫星因其体积、功耗所限,虽然功能比较单一,但是如果开发出标准的皮卫星平台,在其基础上通过装载不同的有效载荷,再加上具有“一箭多星”的发射特点,也可满足不同的飞行任务需要。所以,研制开发标准的皮卫星总线系统和皮卫星应用平台是在军事领域充分发挥皮卫星优势的必要条件。目前已发射的皮卫星有美国的Kutesat卫星、MASAT等卫星,日本的Cute-I卫星,韩国的HAUSAT-1卫星等。
皮卫星/纳卫星的主要应用领域
1教学与科研实验
 
皮卫星/纳卫星的系统复杂度比大型卫星低,研发周期较短(约二年),所需研发及发射经费皆远低于大型卫星,因此,学生的构想具有实现的可能。学生可以大胆使用商用组件,例如一些微小卫星使用商用无线通讯手机模块,当作卫星通讯组件,从而对商业组件做太空验证,使以后卫星的组件成本大幅降低。学生也可将自制的组件,放到太空去验证效能,例如天线及太阳能板的展开机构等,以让日后其它卫星采用。
 
2太空科学实验平台
 
皮卫星/纳卫星虽小,但却是非常重要的太空科学实验平台,可执行特定的太空科学实验,如卫星编队飞行、星群的无线电通信、GPS闪光、太阳风、地磁场与电离层中离子密度的测量,以及卫星的释放等。例如TU Sat 1卫星可测量太空中电浆密度,并研究缆线(Tether)通过电离层所产生的电动力学;QuakeSat卫星使用磁力计测量高空的超低频磁场,研究其和地表地震的关联性等等。此外,皮卫星/纳卫星可经济快速提供新技术空间飞行试验和演示,特别是用来对将来在太空应用的微机电(MEMS)技术以及使用MEMS技术的传感器或推进系统等技术进行太空验证。
 
3通讯
 
皮卫星/纳卫星一般在低轨道(低于1000km)使用,常采用搭载发射,成本低,因此特别适合稀路由、非实时的低成本通信应用,如电子邮件、传真、电报、数据等业务。例如TU Sat1卫星就以提供发展中国家的电子邮件通讯为其卫星任务之一;nCube卫星用来接收船只广播的AIS讯号,包括船只的位置、速度及方向的数据,再将此数据转送到地面,可用来监控船只的安全状况。此外,由皮卫星/纳卫星组成的卫星星座在灵活应急通信方面也存在极大的潜在优势。
 
4光学照相
 
皮卫星/纳卫星可作为光学照相平台。例如日本东京大学XI-IV卫星使用CMOS商业用照相机,拍摄到地球及太阳的影像,由此可验证CMOS传感器在太空的应用效果。此外,英国萨瑞公司的SNAP-1卫星已经对与其一起发射的另外两颗卫星进行了拍照,并将图像传回到地面,为地面控制人员提供从外部观测在轨航天器的能力。
 
5星群应用
 
皮卫星/纳卫星的特点是单颗卫星体积小,功能单一,但多颗卫星组成星座后可以实现并超越1颗大型卫星的功能。同时,由于其发展成本低,并且一次可用火箭发射多颗,所以在星座组网方面具有极大的优势。因此皮卫星/纳卫星常常以星群的形式部署使用,以发挥“蚂蚁雄兵”的强势效果。例如ICE计划同时发射两个微小卫星,使二者相距100米以上,以同时测量GPS卫星讯号的差异,研究GPS讯号通过大气层的讯号闪耀(scintillation)现象。
 
6、军事用途
 
皮卫星/纳卫星在军事上具有广泛的应用前景。这种卫星不仅成本低、可以批量生产,还具有可重组性和再生性。例如,在若干太阳同步轨道上等间隔地布置648颗功能不同的纳卫星,就可以在任何时刻对地球上任何地点进行连续监视和干扰,即使少数纳卫星失灵,也不会使整个系统瘫痪,仅降低一些功能而已。又例如,皮卫星/纳卫星可集成和分散。所谓集成就是由几颗完全相同的皮/纳卫星组装在一个轻便框架上,平时通过每颗卫星的低分辨率相机,对相同地区拍照,然后集成为高分辨率图像;所谓分散就是在战时释放这些皮/纳卫星,让它们分布在敌星周围(绕飞)进行监视、干扰和攻击。总之,微小卫星由于体积小、隐蔽性好、快速反应、机动性好、生存能力强、成本低等特点,特别适用于局部战争和信息战争,具有重大的军事效益。
美国纳卫星/皮卫星的发展现状
美国凭借其雄厚的技术基础已经走在小卫星发展的最前列。以美国防部高级研究计划局(DARPA)为首的军方一直对小卫星的发展寄予厚望,DARPA每年为小卫星发展投资3,500万美元。美国航宇局(NASA)也十分重视小卫星的发展,先后提出了“小卫星技术创新计划”和“新盛世计划”等一系列小卫星发展计划。
 
美国哥达德航天中心正在研制一种质量只有10kg的纳卫星,拟于2007年发射,用于研究日-地间的相互作用。届时,将由1枚德尔他-7925火箭同时把100颗这种卫星射入大偏心轨道。这些纳卫星将组成“磁层星座”,它们的近地点高度相同,均为12,750km,但远地点高度却不同,是从距地球表面312,000km的高度沿一条“线”向外延伸,这样就可以在不同高度同时测量地球磁层和等离子体的相互作用,这是当前用一二颗大卫星所做不到的。这种卫星的方案之一是制造直径为30cm、高10cm的圆筒形卫星,每颗卫星制造成本为50万美元。
 
从本世纪初美国航宇局(NASA)就开始开发一系列新技术和新产品,如自动操作技术、微型遥感器和结构紧凑的小推力推进系统等,以使卫星实现微型化。另外,刘易斯研究中心在1998年提出了一项资金预算为2100万美元的5年计划,重点是开发能在严寒、酷热、腐蚀、强振动和高应力等恶劣环境下工作的微型系统。美国喷气推进实验室(JPL)也在与学术界、工业界以及NASA的其他中心合作,每年划拨400万美元用于微型机电系统研究。
 
美国还制定了“大学纳卫星”计划,该项计划是由美国国防部、NASA及企业界共同发起的,目的是研制并发射10颗“大学纳卫星”(重约10kg),以演示验证微型共性技术、编队飞行技术和分布式卫星功能等。美国空军科学研究局(AFOSR)和国防部高级研究计划局(DARPA)共同出资支持该计划,由各大学设计并组装出这10颗“大学纳卫星”。各大学将进行具有创新性的低成本空间试验,并探索纳卫星的军用价值,研究范围包括增强型通信技术、微型化传感器、姿态控制技术和机动性等。
 
2000年2月6日,美国用“绕轨皮卫星自动发射器”(OPAL)发射了国防部高级研究计划局(DARPA)的两颗皮卫星。该反射器(OPAL)是在此前的2000年1月26日与另外4颗卫星一起发射入轨的。这两颗皮卫星每颗质量小于230g,尺寸为10.2cm×7.6cm×2.5cm,彼此通过30m长的细绳连接。它们由美国航空航天公司研制,主要用于验证MEMS技术,并进行两星之间的通信以及与地面的通信试验。2月10日,卫星电池电力耗尽,试验结束。试验取得的主要成就包括:在轨释放皮卫星、用空间监视网实现对皮卫星的定位与跟踪、使皮卫星与地面碟状天线建立通信联系等。这次成功试验对未来天基防御技术有重要意义。
 
随着小卫星技术的逐渐成熟,美国先后在“天基红外预警”、“发现者-2”等计划中引入了大量小卫星,但是具体的部署方案尚在研究中。可见,美国军方正在以创新的军事概念,研究各种具有独特能力的小卫星系统。如分布式卫星系统,用于通信、导航、分布式雷达以及编队飞行光学干涉测量;用于天基感知的卫星系统,执行视觉和红外地球成像、多光谱地球成像和地图绘制、目标探测与跟踪等任务;预警小卫星系统,用于跟踪飞行中的洲际弹道导弹和潜射战略导弹及其弹头,并引导拦截弹截击目标;虚拟孔径小卫星系统,用于在军事行动中提高感知能力;“后勤”卫星系统,在轨执行补给任务等等。可以预见,在未来的军事行动中,将会大量应用小卫星系统完成其他军事系统无法执行的特殊任务。
 
1:全球皮卫星/纳卫星发展状况一览表
卫星名称
发展机构
卫星主要任务
卫星主要规格
QuakeSat
美国史丹福大学
测量超低频磁场以侦测地震
总重三公斤,包含磁力计
XI-IV
日本东京大学
照相,通讯服务
一公斤
CMOS照相机
Cute-I
日本东京技术学院
卫星技术验证,例如天线及太阳能板展开测试
一公斤
TFSA
美国史丹福大学
薄膜太阳能板测试
一公斤
NarcisSat
美国史丹福大学
照相
一公斤,使用被动式磁力控制
CP1,
CP2
美国加州理工大学
CP1:验证卫星技术,包括太阳传感器,磁力棒等。
CP2:验证卫星技术,包括三轴稳定。
各一公斤
ICE
美国康奈尔大学
使用二颗相距100公尺以上的卫星测量GPS讯号闪耀(scintillation)现象
每颗一公斤,使用重力梯度杆,含GPS接收器。
Mea Huaka’i
美国夏威夷大学
5.8GHz主动天线及温度传感器测试验证
总重一公斤,使用被动式磁场稳定控制
KUTESat
美国堪萨斯大学
测量辐射量及照相、使用喷射装置做姿态控制、卫星之间的通讯实验
三个一公斤卫星组成
MEROPE
美国蒙大拿大学
测量Van Allen Belts的辐射量
一公斤,含盖氏辐射计算器,使用被动式磁力姿态控制
ION
美国伊利诺大学
电子喷射装置实验,CMOS传感器当星光仪的可能性研究
二公斤
TU Sat 1
美国泰勒大学
电子邮件通讯,测量电浆密度,缆线电动力学及磁场变化
1.5公斤,
使用重力梯度缆线做姿态稳定
SEEDS
日本Nihon大学
借由卫星温度测量来判断卫星的姿态
一公斤
nCube
挪威科技大学等
船只定位实验
总重一公斤;
使用展开的重力梯度杆
HAUSAT-1
韩国Hankuk 航空大学
主动式天线(Active Antenna)通讯实验
总重一公斤
 
2:卫星的分类
名 称
质量(含燃料)/kg
 
大卫星(LargeSat)
>1,000
 
中卫星(MediSat)
500~1,000
超小卫星(MiniSat)
100~,500
小卫星(SmallSat)
微卫星(MicroSat)
10~100
纳卫星(NanoSat)
1~10
皮卫星(PicoSat)
0.1~1
飞卫星(FemtoSat)
<0.1
 
参考文献
 
 
 
 
 
 
 
http:// www.cww.net.cn/ Special/ Article.asp?SpecialId=152&SpecialRowId=276&Id=6378
 
作者简介:于清华,上海情报服务平台兼职情报分析员

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