微小卫星发展

微小卫星发展

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微小卫星技术的发展航天器体积和质量的大型化、功能复杂化, 已导致航天器的研制、开发、生产、发射、运行和维护费用迅速膨胀, 而功能复杂化又使其技术上的可靠性和管理上的安全性不可避免地下降了, 从而增加了失效概率。上述原因一方面使已经发展航天技术的国家面临资金紧张、项目风险性增大的严峻局面, 从而处于一种进退两难的尴尬境地; 另一方面又使一些计划发展航天高科技的国家或集团不得不重新审视自身的经济与技术实力。。。

随着微电子技术的发展，特别是以微机电系统（MEMS）和微型光机电系统（MOEMS）为代表的微米纳米技术的发展，使得微型卫星、纳型卫星甚至皮型卫星的实现成为可能。而现代社会信息化革命所带来的对利用空间技术获取和传输信息的新需求则成为推动现代小卫星发展的强大动力。总之, 现代小卫星的兴起是空间技术发展的必然趋势。

微小卫星的发展背景

50 年代～80 年代, 由于运载火箭的发射能力不断提高, 用户对卫星容量需求的增加, 加上冷战时期各国空间预算普遍增加,所以卫星总的发展趋势是大型化、复杂化。从80 年代末开始, 卫星技术的发展呈两种趋势: 一是继续发展大型复杂化卫星,卫星的重量和成本都大幅度增加; 二是发展可快速研制、生产和发射的低成本小卫星。

小卫星迅速发展的原因可概括为如下几点:

(1) 高新技术的进步是现代小卫星发展的重要推动力和必然结果。

(2) 冷战结束和军备竞赛的减弱, 使空间项目更加注重实效, 这促进了小卫星的发展。

(3) 经济和社会发展对卫星应用需求的迅速扩大, 也促进了以小卫星为基础的星座系统开发。

(4) 高技术条件下的现代战争对发展小卫星提出了迫切的需求。

(5) 科学实验和新技术验证都需要通过发展小卫星来实现。

(6) 提高发射频度、降低风险的需要。

微小卫星概念

在小卫星发展的基础上, 由于微小型化技术的快速发展, 更进一步促进了小卫星向微小型化发展。美国航宇局将小卫星定义500kg 以下。英国萨瑞大学还进一步将100kg～500kg的卫星称为微小卫星( MINISAT ) , 10kg～100kg的卫星称为微型卫( MICROSA T) ,10kg以下的卫星称为纳米卫星( NANOSAT) 。纳米卫星还称固态卫星、硅微卫星, 其自身通常无法独立完成空间任务, 需要依赖分布式的星座或网络才能实现其功能。

用重量( 或者尺寸、经费) 来定义和分类现代小卫星具有清晰和直观的优点, 但却无法阐述现代小卫星的特点, 尤其是它与传统小卫星的区别。因此, 现又提出用功能密度( 卫星分系统单位重量的功能) 进行分类的方法, 但这种方法又难于直观给出小卫星的概念。因此, 严格来讲, 现代小卫星又是卫星技术发展进步的一种表述。

微小卫星设计中的先进技术

微小卫星发展的本质是为了更进一步地提高现代小卫星的功能密度, 它必须依靠微电子、微机械、轻质材料等高新技术的支持; 而要实现“快、好、省”的发展特点,则需要采用全新的设计思路和技术途径, 特别是微型技术的采用。纳米卫星采用微型技术, 反过来又牵引了微型技术的快速发展。未来微小卫星将要涉及的技术包括:

(1) 先进微型化化学推进系统;

(2) 全新发射概念;

(3) 微型探测系统;

(4) 高集成度电子器件包;

(5) 高自主性星地操作规程;

(6) 简化定轨程序;

(7) 远距离下行数据的星载射频通信能力( 包括光通信能力) ;

(8) 轻质、高效太阳电池阵;

(9) 轻质、高输出功率蓄电池;

(10) 模块化电源系统( 包括微型核电源系统) ;

(11) 微型热传导及热控系统等。

推进技术

未来微小卫星推进系统中急需解决的重点技术有:

(1) 具有高效费比的微型固体燃料发动机;

(2) 微型液体燃料推进器( 采用肼或高级单元推进剂) ;

(3) 超低功率微型冷气推进器;

(4) 低成本燃料贮箱和燃料馈送系统部件;

(5) 液体低功率气体发生器;

(6) 用于姿态控制的微型固体燃料发动机。

发射技术

未来微小卫星的发射概念是, 由运载火箭先将载有数十颗微小卫星的部署母星( deployer ship) 发射入轨, 再由部署母星将微小卫星弹射出去。弹射方式可根据卫星完成其飞行任务所要求的不同姿态稳定方式而加以灵活选择。

制导、导航与控制( GN&C)

微小卫星对GN&C敏感器的要求是,重量低于～ ,功率低于,工作电压低于, 分辨率优于。具体的技术开发工作包括微型反作用飞轮、微型三轴磁力计、电磁体、双轴太阳敏感器和双轴地球敏感器等。

指令与数据处理( C&DH)

这部分涉及的主要技术有:

(1) 轻质、低功耗电子器件封装技术;

(2) 抗辐射、低功耗处理平台技术;

(3) 高性能、低功耗存储技术;

(4) 抗辐射、可刷新的现场可编程门阵列技术。

电源系统

未来微小卫星电源系统的微型化趋势是将太阳能电池、蓄电池和功率变换器集成为1 个混合模块。这种模块可以将卫星的尺寸与重量减小1 个量级。

射频技术

微小卫星射频技术的未来发展方向主要有两个: 1 种是完全自主, 无需接收装置;另1 种是采用“芯片接收机”技术, 并将其集成到星载设备中。

机械、结构、材料

(1) 微电子机械系统( MEMS)其研究目标是把目前部件的质量和体积减少到1/ 50。

(2) 多功能结构( MFS)微电子机械系统的用途之一是构建多功结构。而多功能结构技术是将许多单个部件制造成微型化部件, 再把它们组装到“灵巧的壳体”内,部件之间的连接线都用电路板的迹线替

代。

(3) 新型材料未来微小卫星将采用以复合材料为基础的结构( 如石墨环氧树脂等) 。与铝制结构相比, 复合材料可使卫星重量降低1/ 3,还可提高结构强度和刚性。

星上自主性与智能化控制

采用智能计算机进行星上全面管理, 能实现高度自主性。利用结构自适应神经控制器可随任意变化的情况自主改变算法, 通过结构工况的监视和神经控制器的再配置, 实现卫星结构的高度自主控制。应尽量利用软件来实现硬件的功能, 因为卫星软件可在飞行过程中不断升级, 提高卫星的自主能力。

模块化与多功能系统设计

在未来的微小卫星设计中, 构成卫星的最基本单元不再是分立的元器件、零部件,而是多芯片模块( MCM)及其组合(叠层式多芯片模块),并在此基础上将卫星功能系统设计成“功能块”(functional block) ,通过接口实现功能的隔离和连接, 进而构成多功能系统。

发展现状

世界状况

微小卫星体积小、重量轻、研制周期短、成本低、发射方式灵活，在军事上有较大的应用潜力，20世纪80年代中期以来受到越来越多国家的重视。美国已发射重量在几百千克以下的多种小卫星和重量不足10千克的试验型纳卫星和皮卫星；、也在2000年发射了纳卫星；、、、、、韩国、、等国已经有了自己的小卫星。此外，、、等国以及中国台湾地区正在与航天大国合作研制小卫星或微卫星。[7]

中国状况

早在1995年，中科院就根据国家未来星地通信技术发展需求，提出要自主研制中国首颗重量100公斤以下的低轨道数据通信小卫星及其通信系统。1996年，中科院微系统所提交了研制低轨道数据通信小卫星及其通信系统的报告。1997年底，中科院正式通过了特别支持重大项目“存储转发通信小卫星及其应用系统”的立项，准备研制一颗双向数据通信的小卫星“创新一号”。研制任务主要由上海微系统所和上海技术物理所等单位承担。进入知识创新工程的上海微系统所在体制和机制改革上的推进，为“创新一号”的研制奠定了坚实的科学技术基础。2003年10月21日，中

科院知识创新重大项目“创新一号”存储转发通信小卫星成功发射入轨，“创新一号”小卫星以存储转发的工作方式，实现全球范围的非实时低轨道双向数据通信。为提高抗干扰及增强保密性，卫星的通信载荷采用了扩频通信技术。卫星为太阳能电池贴装六面体的结构形式，采用重力梯度加磁力矩器主动姿控并辅加微型动量轮的姿态控制方案。卫星总重80余公斤，平均功耗30瓦。这是中国自主研制的第一颗100公斤以下的微小卫星，也是中国第一代低轨道数据通信小卫星，对中国微小卫星的研究发展起到了重要作用，中国发展微小卫星事业的新局面也从此打开。

2008年9月，神七载人飞船的伴星又飞入太空，这是在继承中科院创新一号小卫星成熟技术的基础上研制的中国第一颗空间伴随微小卫星。随后，创新一号（02）星也于同年11月成功发射升空。[另外,中国还有许多大学、公司与参与研发微小卫星，如：清华大学、中国航天机电集团公司共同研制的“清华航天一号”微小卫星，与深圳航天科技创新研究院、国家大学科技园有限公司共同设立的航天东方红海特公司研制的“试验一号”和“试验三号”卫星，浙江大学的“皮星一号A”以及推出的“天巡一号”微小卫星等。[9]

发展方向

微小卫星主要有2个发展方向。一是研制轻型单颗卫星，这类微小卫星已经开始执行地球观测任务，提供达到军用分辨率的图像。美国空军未来的全球定位系统（）卫星每颗将不超过100千克；二是将微小卫星组成星座，进行编队飞行，以代替昂贵的单颗大型卫星，例如天基雷达（SBR）

群、长基线信号情报（SIGINT）星座以及连接小型地面终端的通信卫星群等