大放異彩的小衛(wèi)星

童子軍

2015年9月20日，我國用新一代運(yùn)載火箭長征6號一舉發(fā)射了20顆小衛(wèi)星，單次衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量居亞洲首位，引起了國內(nèi)外轟動。

近年，在微納制造等技術(shù)的助力下，有的單顆遙感小衛(wèi)星分辨率已達(dá)到了0.31米，有的則通過建造低軌小衛(wèi)星星座實(shí)現(xiàn)了全球無縫隙個人通信……這些新創(chuàng)舉，將進(jìn)一步引發(fā)小衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)的新一輪熱潮。

? 國際空間站的機(jī)械臂在釋放立方體納型衛(wèi)星

現(xiàn)代小衛(wèi)星異軍突起

科學(xué)家們一般將20世紀(jì)70年代前發(fā)射的小衛(wèi)星叫“傳統(tǒng)（簡單）小衛(wèi)星”，20世紀(jì)80年代后發(fā)射的稱“現(xiàn)代（高性能）小衛(wèi)星”。進(jìn)入21世紀(jì)后，越來越多的國家開始重視和發(fā)展小衛(wèi)星，全球掀起了新的小衛(wèi)星熱潮。

自2013年起，全球已連續(xù)3年成功發(fā)射小衛(wèi)星超過130顆、入軌數(shù)量占全球同期入軌航天器總數(shù)比超過60%。小衛(wèi)星已成為航天活動高速發(fā)展的重要驅(qū)動力，正孕育著未來航天發(fā)展的重大變革。

因采用了微納制造等高新技術(shù)和新設(shè)計思想，和20世紀(jì)70年代前生產(chǎn)的小衛(wèi)星相比，現(xiàn)代小衛(wèi)星已有了飛躍性的發(fā)展?，F(xiàn)代小衛(wèi)星的功能更強(qiáng)，技術(shù)含量更高，正廣泛應(yīng)用于商業(yè)通信、航天遙感、空間科研、行星探測、國防軍事等領(lǐng)域。

立方體衛(wèi)星方興未艾

1999年，美國斯坦福大學(xué)湯姆·肯尼教授對“皮型衛(wèi)星”提出了新概念，把它定義為立方體衛(wèi)星（CubeSat），即重量為1千克，體積約為10厘米×10厘米×10厘米的正立方體衛(wèi)星（也叫1U）;而由若干顆立方體衛(wèi)星可組成立方體納型衛(wèi)星（簡稱“納星”）。立方體衛(wèi)星和立方體納型衛(wèi)星是現(xiàn)代小衛(wèi)星的一個新創(chuàng)舉。

譬如，若用50～100顆立方體納型衛(wèi)星能實(shí)現(xiàn)全球覆蓋，可同時獲得高空間分辨率（2～3米）和高時間分辨率（重訪時間為15～45分鐘，重訪時間短則能更及時發(fā)現(xiàn)地面景物的變化），成本僅1億多美元，正是這些優(yōu)勢，使得立方體衛(wèi)星頗受高校及初創(chuàng)航天公司的青睞。近年來，立方體衛(wèi)星的發(fā)射數(shù)量也在快速攀升。據(jù)統(tǒng)計，僅2014年一年，全球共成功發(fā)射立方體衛(wèi)星103顆。

此外，不少國家通過研制立方體衛(wèi)星，圓了航天夢。如2013年，厄瓜多爾和秘魯將自主研制的立方體納型衛(wèi)星利用搭載成功發(fā)射，實(shí)現(xiàn)了本國衛(wèi)星零的突破。立方體衛(wèi)星因具有標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、低成本、研制周期短等優(yōu)勢，倘若被應(yīng)用于分布式空間系統(tǒng)，能發(fā)揮更大的作用，具有廣闊的發(fā)展前景。

? Planet Labs（星球?qū)嶒?yàn)室）公司的納型衛(wèi)星（2014年2月釋放）

延伸閱讀小衛(wèi)星的分類

小衛(wèi)星有多種分類法，國內(nèi)一般采用廣義的標(biāo)準(zhǔn)，把重量在1000千克以下的衛(wèi)星稱為小衛(wèi)星;而國外一般采用狹義的標(biāo)準(zhǔn)，把重量在500千克以下的才稱為小衛(wèi)星。

若按廣義的標(biāo)準(zhǔn)，小衛(wèi)星還可進(jìn)一步分為幾個等級：重量在500～1000千克的稱為小型衛(wèi)星;重量在100～500千克的稱為微小衛(wèi)星（Minisat）;重量在10～100千克的稱為微型衛(wèi)星（Microsat）;重量在1～10千克的稱為納型衛(wèi)星（Nanosat）;重量在0.1～1千克的稱為皮型衛(wèi)星（Picosat）;重量小于0.1千克的稱為飛型衛(wèi)星（Femtosat）。

延伸閱讀中國首枚手機(jī)衛(wèi)星

2015年9月20日，中國首枚長征6號運(yùn)載火箭成功將20顆小衛(wèi)星送入軌道。在此次發(fā)射任務(wù)中，就有1顆1千克級的“智能”手機(jī)衛(wèi)星。這也是中國首顆以商用智能手機(jī)主板和安卓操作系統(tǒng)為核心設(shè)計完成的小衛(wèi)星。

? 手機(jī)衛(wèi)星的太小與杯子相仿

手機(jī)衛(wèi)星“大有作為”

近年來，在立方體衛(wèi)星的基礎(chǔ)上，又出現(xiàn)了在全球影響巨大的手機(jī)衛(wèi)星。所謂手機(jī)衛(wèi)星，就是以立方體衛(wèi)星為衛(wèi)星平臺，以智能手機(jī)為有效載荷的新型衛(wèi)星。

2013年2月，英國薩瑞衛(wèi)星公司研制出全球首顆智能手機(jī)衛(wèi)星—薩瑞培訓(xùn)研究和納衛(wèi)星演示1號（STRaND-1）。它是一個4U立方體衛(wèi)星，重約4千克，采用手機(jī)對衛(wèi)星進(jìn)行控制，除了太陽能電池板和推進(jìn)系統(tǒng)外，它還具有傳統(tǒng)衛(wèi)星的所有部件及功能，是全球首顆采用3D打印技術(shù)制備零件的航天器。

2013年4月，美國國家航空航天局的3顆智能手機(jī)衛(wèi)星（2顆PhoneSat1.0和1顆PhoneSat2.0）升空。它們均為1U立方體衛(wèi)星，操作系統(tǒng)為谷歌的安卓系統(tǒng)，星載計算機(jī)為智能手機(jī)芯片組，拍攝地球影像的為500萬像素的手機(jī)攝像頭。

這3顆衛(wèi)星因采用了消費(fèi)級智能手機(jī)作為主要載荷，成本非常低廉，如PhoneSat 1.0成本僅為3500美元，而PhoneSat 2.0的成本僅為8000美元。它們在飛行期間，完成了把衛(wèi)星的電池和溫度等自身數(shù)據(jù)傳回地面、用手機(jī)拍攝地球圖片并傳回地面、與“銥”衛(wèi)星星座進(jìn)行數(shù)據(jù)通信試驗(yàn)等任務(wù)。

飛型衛(wèi)星已亮相

如今，衛(wèi)星的小型化趨勢愈發(fā)明顯。小衛(wèi)星在微電子機(jī)械系統(tǒng)、微光機(jī)電系統(tǒng)、微遙感器、微轉(zhuǎn)發(fā)器、微推力器等技術(shù)的推動下，能力不斷提升。目前，皮型衛(wèi)星技術(shù)已逐漸成熟，科學(xué)家們也開始將科研著力點(diǎn)轉(zhuǎn)向飛型衛(wèi)星，努力實(shí)現(xiàn)技術(shù)性突破。

在2000年全球首顆皮型衛(wèi)星發(fā)射入軌后，美國原定于2014年完成全球首次飛型衛(wèi)星在軌部署，使人類邁入飛型衛(wèi)星時代，可惜沒有成功。2014年4月18日，美國獵鷹9號火箭發(fā)射了“龍”貨運(yùn)飛船，它將一顆名為凱克衛(wèi)星1號的納星（KickSat-1，價值3萬美元）帶入了“國際空間站”。該衛(wèi)星于兩周后被釋放到太空中，欲釋放104顆名為“精靈（Sprite）”的芯片衛(wèi)星。

這些芯片衛(wèi)星配備有無線電發(fā)射器，相互之間通過WiFi聯(lián)系。然而不幸再次發(fā)生，因凱克衛(wèi)星1號納星出現(xiàn)故障，釋放最終未能成功。美國決定在改進(jìn)后，于2015～2016年再次試驗(yàn)，若能成功，將會是芯片衛(wèi)星從概念向?qū)嵱没~出的重要一步，也將推動衛(wèi)星設(shè)計從微小型化到超小型化的過渡。

與此同時，在2015年9月20日，中國發(fā)射了20顆微小衛(wèi)星，其中有4顆0.1千克級的飛型衛(wèi)星（星塵1號～4號），這是中國首批飛型衛(wèi)星，也是目前全球最小的一批衛(wèi)星。

? 對手機(jī)衛(wèi)星進(jìn)行艙外測試

你追我趕好熱鬧

隨著近年來小衛(wèi)星發(fā)展的諸多突破，小衛(wèi)星公司也成為航天產(chǎn)業(yè)的新生力量，帶來了一系列顛覆性的新理念和新模式，通過創(chuàng)新技術(shù)集成了低成本、高性能的航天系統(tǒng)。如今，小衛(wèi)星公司在許多國家出現(xiàn)。其中，以美國的小衛(wèi)星公司實(shí)力最為強(qiáng)勁，歐洲和日本也緊追其后。

對地觀測領(lǐng)域 隨著新型對地觀測系統(tǒng)的大量部署，催生了全新商業(yè)運(yùn)營模式和服務(wù)模式，開啟了航天大數(shù)據(jù)時代。美國新型商業(yè)對地觀測衛(wèi)星系統(tǒng)，已采用了全面創(chuàng)新的衛(wèi)星業(yè)務(wù)應(yīng)用模式;歐洲則研制了具有彩色視頻成像能力的小衛(wèi)星，它具有任務(wù)可再配置能力，可應(yīng)用在多種情報采集領(lǐng)域。

通信廣播領(lǐng)域 美國開啟了低軌商業(yè)通信小衛(wèi)星星座新一輪更新?lián)Q代。其戰(zhàn)術(shù)通信小衛(wèi)星逐步面向基層作戰(zhàn)部隊(duì)提供作戰(zhàn)支持服務(wù)。

軍事航天領(lǐng)域 目前，國外正聚焦發(fā)展小衛(wèi)星空間目標(biāo)監(jiān)視能力，小衛(wèi)星的低成本使空間目標(biāo)監(jiān)視的應(yīng)用成為發(fā)展熱點(diǎn);小衛(wèi)星空間攻防應(yīng)用邁向高軌道，重點(diǎn)關(guān)注于高軌高價值目標(biāo)在軌巡視及保護(hù)。美軍各軍兵種也相繼提出面向戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用的小衛(wèi)星項(xiàng)目，發(fā)展作戰(zhàn)響應(yīng)空間能力，與主戰(zhàn)場的大衛(wèi)星系統(tǒng)形成能力互補(bǔ)。

未來前景十分廣闊

隨著微納技術(shù)、一體化多功能結(jié)構(gòu)、集成化綜合電子等技術(shù)的發(fā)展和衛(wèi)星設(shè)計思想創(chuàng)新，衛(wèi)星小型化和一體化趨勢將愈發(fā)明顯，能力也將不斷提升。

據(jù)預(yù)測，到2020年，全球?qū)π⌒l(wèi)星（1～50千克）的年需求量將達(dá)到188顆。此外，在空間微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）、空間微光電系統(tǒng)（MOEMS）、微納技術(shù)（MNT）等技術(shù)發(fā)展的推動下，飛型衛(wèi)星有望實(shí)現(xiàn)重大技術(shù)突破。衛(wèi)星體系將隨之由大、小、微衛(wèi)星延伸至納、皮、飛衛(wèi)星。

未來，科學(xué)家還將通過智能計算機(jī)，建立衛(wèi)星全面管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)小衛(wèi)星的高度自主性。譬如，利用結(jié)構(gòu)自適應(yīng)神經(jīng)控制器，隨任意變化的情況自主改變算法;或通過監(jiān)視結(jié)構(gòu)狀況和再配置神經(jīng)控制器，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的高度自主控制等。

此外，像小衛(wèi)星中的芯片衛(wèi)星，能將航天器的全部功能集成于單個的集成電路上，使微納制造領(lǐng)域的微系統(tǒng)技術(shù)在航天應(yīng)用中，從以往的部件級躍升至整星級，這也加速了航天器“超小型化”的大趨勢。因此，微納制造助力下的小衛(wèi)星，正以迅猛發(fā)展的勢頭，孕育著未來航天發(fā)展的重大變革！

延伸閱讀小衛(wèi)星顛覆行業(yè)模式

2015年，太空探索技術(shù)公司、一網(wǎng)公司等開始競爭從太空提供互聯(lián)網(wǎng)接入的服務(wù)。

太空探索技術(shù)公司將發(fā)射4000顆小型廉價衛(wèi)星，向全球各地提供高速互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)，包括最偏遠(yuǎn)的地區(qū)。若此計劃成功，該公司將由一家太空公司轉(zhuǎn)型為高速互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)商。而一網(wǎng)公司則準(zhǔn)備建立由648顆小衛(wèi)星組成的低軌道星座，在全球范圍內(nèi)提供廉價寬帶服務(wù)。

目前，由于小衛(wèi)星具有超輕量化、超小型化、超低成本等特點(diǎn)，已獲得多方的關(guān)注，它們必將在未來航天事業(yè)的發(fā)展中大展拳腳。