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微小卫星的大未来

图文:东方

导语:微小卫星,别看它身材小但是本领大,不仅可以各自为政还可以协同合作,近年来迅速崛起,成为航天领域技术创新发展的一支重要力量,发展前景可谓是“小卫星大未来”。那么什么是微小卫星,它有哪些用途,什么样的独特魅力让它迅速备受瞩目。本期学姐带你一起来了解微小卫星。

 

小身材,大智慧——功能强大还不贵 

自前苏联于1957年10月4日发射了第一颗人造地球卫星Sputnik以来,卫星得到了广泛的应用。卫星家族也变得越来越庞大,并且用途不一,形状各异,大小也相距甚远。

20世纪90年代初,随着微电子、现代通信、微机械、计算机技术、吸能材料和新能源的发展以及对空间环境的日益深入了解,卫星轻量化的趋势愈加明显,微小卫星技术已成为航天科技中的新领域。

卫星有多种分类方法,微小卫星是按重量划分的一种叫法。一般国际上将质量在500kg以下的卫星统称为微小卫星,进一步细分,又可分为以下4类:小卫星(质量在500~100kg之间),微卫星(质量在100~10kg之间),纳卫星(质量在10~1kg之间),皮卫星(质量在1~0.1kg之间),飞卫星(质量小于0.1kg)。

微小卫星是有明确用途的新一代卫星,主要特点有:重量轻、体积小、成本低(数千万人民币量级)、可以标准化生产、研制周期短(一年左右)、轨道低、发射方式灵活(既可与大卫星一起发射也可一箭多星发射,或通过空间站部署)、生存能力强、风险小,还有一点就是它的技术含量相当高;微小卫星还可以进一步组网,就是以分布式的星座形成“虚拟大卫星”,从而可以实现一些传统大卫星复杂的功能。正是由于这些特点,微小卫星已经受到了各方面尤其是经费有限而技术力量雄厚的大学的广泛关注,并得到了迅速发展。

在应用方面,微小卫星可用于通讯、导航、对地观察、科学试验和深空探测。在低轨卫星通信、全球导弹、科学探测等方面,微小卫星的应用已占据重要位置。

 

低门槛、高科技——高校都能来参与 

航天科技正逐步从军事应用转向经济建设领域,商业运作则促使航天科技必须降低成本、提高效益。然而传统的大型人造卫星,费用需要上亿美元,这是许多国家难以承受的。相比之下,仅需要数千万人民币成本的微小卫星便吸引了全世界许多高校和科研机构的积极参与,形成了一支巨大科研力量,并且相互竞争,从而使技术水平快速提高。目前我国参与微小卫星研发的机构主要有中国科学院微小卫星创新研究院、清华大学、浙江大学、南京航空航天大学等。

经过最近10年的高速发展,微小卫星的各方面能力可以说已经有了特别大的进展。

首先,信息技术的发展也促进了航天技术的发展。比如随着芯片技术、电子设备、计算机和信息技术的发展,以及其产品与设备的性价比日益提高,使得微小卫星就能够充分利用这些产品,让新一代微小卫星在体积和质量在减小的同时,性能和应用能力却得到大幅提升。这可是微小卫星的物质基础。

另外,得益于太阳电池片效率的提升和电子产品小型化的发展,微小卫星的供配电系统性能也得到很大提高。目前,太阳电池的效率达到29%~33%,锂离子和锂聚合物蓄电池的比能达到了250·W·h·kg-1;电源控制系统也达到了最佳电源功率分配使用,合理充放电,使电源达到最好使用状态。若将来进一步发展,石墨烯电池能用于卫星的话,那么星上电源的提升就更大了。

不同于传统大卫星的运载火箭定制专用发射,微小卫星的发射模式更加灵活。

目前,搭载发射和一箭多星已成为其发射的主要方式,例如2015年我国利用长征六号火箭成功实现1箭20星发射,这种密集的发射模式降低了微小卫星的发射成本,提高了大规模批量化部署的能力,进一步推动了微小卫星的产业化发展;2017年11月21日12点50分,长征六号运载火箭第二次成功发射,“一箭三星”将吉林一号视频4~6卫星成功送入预定轨道。

另外,空间站释放也成为了发射微小卫星的一种选择,美国行星(Planet)公司(原行星实验室公司,于2016年6月更名)就利用国际空间站多次释放了大量的皮卫星。针对逐渐增长的微小卫星发射需求,众多宇航公司也在专门研制低成本小型运载器,例如我国长征六号运载火箭。

此外,飞机和退役火箭也可以改造成为发射微小卫星的运载工具,最典型实例是美囯国防先进研究计划局DARPA提出采用火箭装上多颗微型卫星搭载在飞机上,然后从飞机上释放出火箭最后由火箭把卫星射入轨道,发射不受地理条件的限制,此计划称为“空中发射辅助太空进入”,并已经开始实施。

微小卫星研制周期短、成本相对较低的特点,使其成为商业投资的最佳切入点。例如众多商业遥感公司的目标是发展大量的微卫星并应用到更广泛的领域,包括油气资源勘探、自然灾害预报、城市规划农业监测、交通导航和环境监测等。随着微小卫星技术的进一步发展,以及与商业的深入融合,商业化将有可能成为推动空间技术发展的重要动力。


组星座、编队型——DIY后更威风 

星座组网、编队飞行是微小卫星发挥效能的重要途径,也是未来微小卫星应用的主要趋势。由多个卫星按不同的轨道位置布置而形成小卫星星座运行,可以提高飞行任务的时间分辨率,乃至实现全球的实时覆盖;由多颗小卫星保持相对位置编队飞行并且其观测到的信号可以相干处理,则可以形成虚拟探测卫星,完成大型卫星无法实现的新应用。

微小卫星通信星座。采用众多微小卫星(甚至几百颗)可以连续无缝覆盖全球,卫星又处在低轨道,通信发射功率降低近三个数量级,为此地面通信收发设备的体积、质量和功耗需求大大降低,例如智能手机、计算机、简易移动通信收发设备都可以加入星座实现通信业务。

编队飞行,利用几颗微小卫星实现编队飞行可以获得单颗卫星无法获得的结果。例如如全球三维定位系统采用20颗电子侦察卫星,分成5组,每组4颗卫星实现编队飞行;根据时差与频差综合定位原理,对地面雷达站位置可获得0.5km的三维定位精度。


挑战多,大众化——未来可能无限大 

微小卫星代表了航天领域的技术创新发展,将是航天新技术和新思想的活跃地带,其潜力不言而喻。然而,微小卫星的快速发展在带来技术变革和创新前景的同时,也可预见到大规模微小卫星系统的发展可能也会带来一些问题,比如其对太空秩序和相关应用领域的影响。

由于微小卫星集中于低轨道,发射量大,且寿命相对较短,如果处理不当则会造成空间碎片隐患,会对空间安全造成一定的影响,另外部分在轨微小卫星可能会存在未按规定占用轨位工作频率等问题。微小卫星未来将更加市场化和大众化,如何规范轨道及频率资源的申请和占用,将会成为一个国际性问题。

此外,大规模的组网运行模式,以及不断增加的用户数和任务量,对传统的卫星运行控制系统提出挑战。大量分散式运控系统的运行和用户指令的发布,将会带来行业管理、配套产品市场规范等新应用模式下的新问题。

微小卫星产业的迅速崛起是航天发展的时代所需,它引领的是一种全新的航天科技创新及研制生产模式,开创了新的航天应用的运营模式,使航天应用不再单独服务于国防及前沿科技探索,同时也服务于大众,融入每一个人的生活,使得生活更加信息化、智能化 。

图片来源:中科院微小卫星创新研究院官方网站


主要参考文献:

[1]李明.微小卫星发展的若干思考[J].航天器工程, 2016(6):1-5

[2] 林来兴,张小琳. 迎接”轨道革命”——微小卫星的飞速发展[J].航天器工程, 2016(4):97-105

[3] 詹亚锋,马正新,曹志刚. 现代微小卫星技术及发展趋势[J].电子学报,2000(7):102-106


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