微星之光
微小卫星的发展
石卫平 潘坚
(中国航天信息中心)
1 定义
□□国际上对小卫星的叫法有很多,如小卫星(Sm allSat),廉价的卫星(Cheap sat),微卫星(M icroSat),超小卫星(M in iSat),纳卫星(N anoSat),皮卫星(P icoSat),等等。
美国国防高级研究计划局(DA R PA)则把这些卫星统称之为轻卫星(L igh tSats),美国海军航天司令部称之为SP I N Sat’s(Sin2 gle Pu rpo se Inexpen sive Satellite Sys2 tem s——用途单一的廉价卫星系统),美国空军称之为TA CSat’s(T actical Satel2 lites——战术卫星)。
实际上小卫星在航天事业的早期就有了,卫星发展最初就是从简单小卫星起步的。
即使在20世纪70年代和80年代大型航天器占主导地位的时代,亦可发现小卫星的身影。
从20世纪80年代中期开始,世界航天界兴起了发展小卫星的热潮。
随着对小卫星认识的不断加深,人们意识到仅仅以重量作为划分小卫星的依据是不够的,必须引入“功能密度”的概念。
功能密度是指卫星每千克重量所能提供的功能。
例如,每千克太阳电池提供100W功率,就比每千克太阳电池提供20W功率提高了4倍功能密度。
按照功能密度划分,小卫星可分为简单小卫星和现代小卫星两种。
我们现在通常说的小卫星是指现代小卫星。
对于小卫星的分类有许多版本,比较典型的有以下两种。
美国航空航天公司(A ero sp ace)在1993年对小卫星、微卫星和纳卫星做了以下定义:小卫星是一种可用常规运载器发射的航天器,质量为10～500kg;微卫星定义为所有的系统和子系统都全面体现了微型制造技术,并可实现一种实用功能,质量为011～10kg;纳卫星是一种尺寸减小到最低限度的微卫星,其功能有赖于一种分布式星座结构来实现,质量小于011kg。
不过目前更流行的卫星分类方法是英国萨瑞大学提出来的(如表1),本文将采用这种分类方法。
表1 卫星的分类名 称质量(含燃料) kg 大卫星(L argeSat)>1000
中卫星(M ediSat)500～1000
超小卫星(M iniSat)100～500
微卫星(M icroSat)10～100
纳卫星(N anoSat)1～10皮卫星(P icoSat)011～1飞卫星(Fem toSat)<011
小卫星(Sm allSat)
结合国际上小卫星技术的发展趋势和我国对微小卫星的需求现状,本文将重点介绍100kg以下的微小卫星。
2 各国微小卫星的发展现状
微小卫星作为小卫星家族中的一员,具有小卫星的共性特点,并且由于其重量、体积的特点,因而适合用于技术试验、科学试验和大学教学,也可以组成低轨道卫星通信星座。
此外,微小卫星的一个突出特点是技术扩展性强,从微小卫星这一技术平台出发,可进一步向微小化发展而研制纳卫星;或向多用途化发展而研制小卫星;或向集群化发展而研制微小卫星星座;还可以向深空探测发展而研制小型深空探测器。
微小卫星由于具有技术扩展性强的特点,不仅受到世界主要航天大国的重视,同时也被许多中、小发达国家和新兴的发展中国家作为发展小卫星技术的切入口,它们积极通过合作研制或自行研制的方式发展微小卫星。
美国、英国和日本等国在微小卫星技术领域处于领先地位。
211 美国
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。
在美国,以DA R PA 为首的军方一直对小卫星的发展寄予厚望, ADR PA每年为小卫星发展投资3500万美元。
美国航宇局(NA SA)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。
美国的光谱航天公司(Spectrum A stro)是美国国防部和NA SA小卫星的主要承包商。
光谱航天公司为菲利普实验室研制了强力星-2(M igh tySat-2),首颗强力星-2于2000年7月19日发射成功。
强力星-2卫星直径68c m,高91c m,重120kg。
星上携带多种设备,其中“傅里叶变换超光谱成像仪”(FTH S I)最引人注目,被认为是世界上第一个进入轨道的实用超光谱系统。
FTH S I能产生150个窄光谱段,其光谱分辨率优于目前在轨的多光谱成像仪的10倍多。
美国其他生产小卫星的公司主要有轨道科学公司、CTA空间系统公司、TRW公司、航空宇宙公司(A eroA stro)、鲍尔公司和航空航天公司。
212 英国
英国的萨瑞大学独家拥有萨瑞卫星技术有限公司(Su rrey Satellite T echno logy L td1),它在欧洲处于领先位置。
萨瑞大学研制小卫星的特点是低成本(百万英镑)、短周期(研制周期1～2年)、高效益、高效率、技术先进和管理现代化。
萨瑞大学重视微小卫星平台的通用化、系列化,其开发的50kg 级微小卫星平台技术已很成熟,在世界范围内得到广泛应用。
萨瑞公司正在进行的微小卫星项目有:为英国国防发展与研究局(D ERA)研制的“战术光学卫星”(Top sat),这是1颗军民两用卫星,重100kg,可拍摄分辨率215m的黑白地面图像和分辨率5m的彩色图像;由5颗遥感卫星组成的“灾难监视星座”(D isaster M on i2 to ring Con stellati on),每颗卫星重约50kg; E卫星星座,它由6颗重130kg的微小卫星组成,用于远程应用测量,头3颗卫星已被美国直播卫星公司(DB S)购买,将在2001年发射;土耳其的T u rb itak-B ilten卫星,重100kg,可拍摄分辨率12m的全景图像和分辨率26m的多光谱图像;“双子座”(Gem in i)卫星,这是1颗静止轨道微小卫星,可用于提供电话、电视和广播等通信业务。
213 日本
日本很重视发展小卫星,早在1990年就成立了小卫星研究会。
在一开始日本就把
开发小卫星的重点放在了微小卫星上,重点发展质量不足100kg、外部尺寸小于50c m、研制周期1年、高性能和易于搭载的微小卫星。
日本宇宙开发事业团(NA SDA)在1998年提出了开发名为H ypersat的50kg 级或更小的系列卫星计划,并确定了4个主要研究领域:用一组50kg级的卫星进行通信、观测和测量;从低轨道进行地球观测和通信;用一组小于50kg级的卫星进行在轨服务;用200kg级的卫星进行深空探测。
其中,NA SDA考虑制造一种边长为40c m的立方体卫星,卫星重50kg,其电子设备高度集成于一个组件中。
这种卫星的任务是从低轨道进行高分辨率的地球成像和高速通信。
NA SDA预测,这种卫星将可替代目前500kg级的卫星。
在2000年中,NA SDA开发成功重68kg的微小卫星,在卫星的小型化、低成本化方面作出了有益尝试。
这颗名为Λ-L ab2 Sat的小卫星高64c m,宽69c m,呈八角形,开发费用约5亿日元,可用于对高技术产品等进行太空轨道试验,包括热真空和振动环境试验。
这颗卫星预计于2001年与先进地球观测卫星-2(AD EO S-2)一起由日本H -2A大型火箭发射。
3 微小卫星发展趋势
311 微小卫星将受到越来越多国家的重视微小卫星具有良好的应用前景,对未来国民经济的发展以及国防系统的建设有深刻的影响。
在军用领域,小卫星是构筑未来信息战不可缺少的角色。
在民用领域,小卫星可用于技术演示、科学研究、空间探测、卫星通信和对地观测等。
因此,微小卫星将受到越来越多国家的重视。
312 微小卫星平台通用化、系列化
卫星平台通用化、系列化是整个卫星技
术领域的一个发展趋势,是卫星商业化、产业化的必然需求,微小卫星也是一样。
卫星平台系列化是批生产的基础,而只有形成批生产能力才能支持卫星星座系统的发展。
萨瑞大学重视微小卫星平台的通用化、系列化,其开发的50kg级微小卫星平台技术已很成熟,在世界范围内得到广泛应用。
另外,欧空局(ESA)计划在2001年发射其开发的“星上自主计划”卫星(PROBA),其重量为100kg。
313 从组成星座到组成编队飞行星座美国、英国、德国都在发展微小卫星星座,如美国的技术卫星-21(T ech sat-21)构成的“分布式雷达卫星星座”,英国的“灾难监视星座”,德国的“SA F I R卫星星座”。
星座组网最能体现微小卫星的优势,是微小卫星技术发展的一个趋势。
若干颗微小卫星按一定要求分布在单轨道或多轨道平面上组成星座,可以提高地面覆盖范围(直至覆盖全球),大大缩短重访周期,达到甚至超越大卫星的功能。
与单颗大卫星相比,其发射成本并未增加,系统受损性则大大降低。
微小卫星星座在通信、遥感领域有广阔的应用前景。
今后,卫星星座还将向编队飞行星座方向发展。
该星座中的卫星构成一个特定的形状,同时绕地球旋转。
每颗微小卫星都同其他卫星保持联系,共同承担信号处理、通信和有效载荷任务等。
任务功能由整个编队飞行的星座来完成,整个星座构成一个大“虚拟卫星”。
与一般星座不同的是,这里的单颗卫星基本不发挥独立的功能作用。
编队飞行星座可提供大孔径和测量基线,并且编队形状和卫星数目都可调整,任务适应性强。
美国的T ech sat-21星座就将采用编队飞行的方式。
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收稿日期:2001206201。