1、.：.；微小衛(wèi)星技術(shù)的開展 20063214 石偉航天器體積和質(zhì)量的大型化、功能復(fù)雜化, 已導(dǎo)致航天器的研制、開發(fā)、消費、發(fā)射、運轉(zhuǎn)和維護費用迅速膨脹, 而功能復(fù)雜化又使其技術(shù)上的可靠性和管理上的平安性不可防止地下降了, 從而添加了失效概率。上述緣由一方面使曾經(jīng)開展航天技術(shù)的國家面臨資金緊張、工程風(fēng)險性增大的嚴峻局面, 從而處于一種進退兩難的為難境地; 另一方面又使一些方案開展航天高科技的國家或集團不得不重新審視本身的經(jīng)濟與技術(shù)實力。隨著微電子技術(shù)的開展，特別是以微機電系統(tǒng)MEMS和微型光機電系統(tǒng)MOEMS為代表的微米納米技術(shù)的開展，使得微型衛(wèi)星、納型衛(wèi)星甚至皮型衛(wèi)星的實現(xiàn)成為能夠。而現(xiàn)代社會

2、信息化革命所帶來的對利用空間技術(shù)獲取和傳輸信息的新需求那么成為推進現(xiàn)代小衛(wèi)星開展的強大動力。總之, 現(xiàn)代小衛(wèi)星的興起是空間技術(shù)開展的必然趨勢。微小衛(wèi)星的開展背景50 年代80 年代, 由于運載火箭的發(fā)射才干不斷提高, 用戶對衛(wèi)星容量需求的添加, 加上冷戰(zhàn)時期各國空間預(yù)算普遍添加,所以衛(wèi)星總的開展趨勢是大型化、復(fù)雜化。從80 年代末開場, 衛(wèi)星技術(shù)的開展呈兩種趨勢: 一是繼續(xù)開展大型復(fù)雜化衛(wèi)星,衛(wèi)星的分量和本錢都大幅度添加; 二是開展可快速研制、消費和發(fā)射的低本錢小衛(wèi)星。小衛(wèi)星迅速開展的緣由可概括為如下幾點:(1) 高新技術(shù)的提高是現(xiàn)代小衛(wèi)星開展的重要推進力和必然結(jié)果。(2) 冷戰(zhàn)終了和軍備競賽

3、的減弱, 使空間工程更加注重實效, 這促進了小衛(wèi)星的開展。(3) 經(jīng)濟和社會開展對衛(wèi)星運用需求的迅速擴展, 也促進了以小衛(wèi)星為根底的星座系統(tǒng)開發(fā)。(4) 高技術(shù)條件下的現(xiàn)代戰(zhàn)爭對開展小衛(wèi)星提出了迫切的需求。(5) 科學(xué)實驗和新技術(shù)驗證都需求經(jīng)過開展小衛(wèi)星來實現(xiàn)。(6) 提高發(fā)射頻度、降低風(fēng)險的需求。微小衛(wèi)星概念在小衛(wèi)星開展的根底上, 由于微小型化技術(shù)的快速開展, 更進一步促進了小衛(wèi)星向微小型化開展。美國航宇局將小衛(wèi)星定義500kg 以下。英國薩瑞大學(xué)還進一步將100kg500kg的衛(wèi)星稱為微小衛(wèi)星( MINISAT ) , 10kg100kg的衛(wèi)星稱為微型衛(wèi)( MICROSA T) ,10kg

4、以下的衛(wèi)星稱為納米衛(wèi)星( NANOSAT) 。納米衛(wèi)星還稱固態(tài)衛(wèi)星、硅微衛(wèi)星, 其本身通常無法獨立完成空間義務(wù), 需求依賴分布式的星座或網(wǎng)絡(luò)才干實現(xiàn)其功能。用分量( 或者尺寸、經(jīng)費) 來定義和分類現(xiàn)代小衛(wèi)星具有明晰和直觀的優(yōu)點, 但卻無法論述現(xiàn)代小衛(wèi)星的特點, 尤其是它與傳統(tǒng)小衛(wèi)星的區(qū)別。因此, 現(xiàn)又提出用功能密度( 衛(wèi)星分系統(tǒng)單位分量的功能) 進展分類的方法, 但這種方法又難于直觀給出小衛(wèi)星的概念。因此, 嚴厲來講, 現(xiàn)代小衛(wèi)星又是衛(wèi)星技術(shù)開展提高的一種表述。微小衛(wèi)星設(shè)計中的先進技術(shù)微小衛(wèi)星開展的本質(zhì)是為了更進一步地提高現(xiàn)代小衛(wèi)星的功能密度, 它必需依托微電子、微機械、輕質(zhì)資料等高新技術(shù)的支

5、持; 而要實現(xiàn)“快、好、省的開展特點,那么需求采用全新的設(shè)計思緒和技術(shù)途徑, 特別是微型技術(shù)的采用。納米衛(wèi)星采用微型技術(shù), 反過來又牽引了微型技術(shù)的快速開展。未來微小衛(wèi)星將要涉及的技術(shù)包括:(1) 先進微型化化學(xué)推進系統(tǒng);(2) 全新發(fā)射概念;(3) 微型探測系統(tǒng);(4) 高集成度電子器件包;(5) 高自主性星地操作規(guī)程;(6) 簡化定軌程序;(7) 遠間隔 下行數(shù)據(jù)的星載射頻通訊才干( 包括光通訊才干) ;(8) 輕質(zhì)、高效太陽電池陣;(9) 輕質(zhì)、高輸出功率蓄電池;(10) 模塊化電源系統(tǒng)( 包括微型核電源系統(tǒng)) ;(11) 微型熱傳導(dǎo)及熱控系統(tǒng)等。推進技術(shù)未來微小衛(wèi)星推進系統(tǒng)中急需處理的

6、重點技術(shù)有:(1) 具有高效費比的微型固體燃料發(fā)動機;(2) 微型液體燃料推進器( 采用肼或高級單元推進劑) ;(3) 超低功率微型冷氣推進器;(4) 低本錢燃料貯箱和燃料饋送系統(tǒng)部件;(5) 液體低功率氣體發(fā)生器;(6) 用于姿態(tài)控制的微型固體燃料發(fā)動機。發(fā)射技術(shù)未來微小衛(wèi)星的發(fā)射概念是, 由運載火箭先將載有數(shù)十顆微小衛(wèi)星的部署母星( deployer ship) 發(fā)射入軌, 再由部署母星將微小衛(wèi)星彈射出去。彈射方式可根據(jù)衛(wèi)星完成其飛行義務(wù)所要求的不同姿態(tài)穩(wěn)定方式而加以靈敏選擇。制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制( GN&C)微小衛(wèi)星對GN&C敏感器的要求是, 分量低于0.2kg0.25kg ,功率低于0.1

7、W,任務(wù)電壓低于3.3V, 分辨率優(yōu)于0.1。詳細的技術(shù)開發(fā)任務(wù)包括微型反作用飛輪、微型三軸磁力計、電磁體、雙軸太陽敏感器和雙軸地球敏感器等。指令與數(shù)據(jù)處置( C&DH)這部分涉及的主要技術(shù)有:(1) 輕質(zhì)、低功耗電子器件封裝技術(shù);(2) 抗輻射、低功耗處置平臺技術(shù);(3) 高性能、低功耗存儲技術(shù);(4) 抗輻射、可刷新的現(xiàn)場可編程門陣列技術(shù)。電源系統(tǒng)未來微小衛(wèi)星電源系統(tǒng)的微型化趨勢是將太陽能電池、蓄電池和功率變換器集成為1 個混合模塊。這種模塊可以將衛(wèi)星的尺寸與分量減小1 個量級。射頻技術(shù)微小衛(wèi)星射頻技術(shù)的未來開展方向主要有兩個: 1 種是完全自主, 無需接納安裝;另1 種是采用“芯片接納機

8、技術(shù), 并將其集成到星載設(shè)備中。機械、構(gòu)造、資料(1) 微電子機械系統(tǒng)( MEMS)其研討目的是把目前部件的質(zhì)量和體積減少到1/ 50。(2) 多功能構(gòu)造( MFS)微電子機械系統(tǒng)的用途之一是構(gòu)建多功構(gòu)造。而多功能構(gòu)造技術(shù)是將許多單個部件制呵斥微型化部件, 再把它們組裝到“乖巧的殼體內(nèi),部件之間的銜接線都用電路板的跡線替代。(3) 新型資料未來微小衛(wèi)星將采用以復(fù)合資料為根底的構(gòu)造( 如石墨環(huán)氧樹脂等) 。與鋁制構(gòu)造相比, 復(fù)合資料可使衛(wèi)星分量降低1/ 3,還可提高構(gòu)造強度和剛性。星上自主性與智能化控制采用智能計算機進展星上全面管理, 能實現(xiàn)高度自主性。利用構(gòu)造自順應(yīng)神經(jīng)控制器可隨恣意變化的情況

9、自主改動算法, 經(jīng)過構(gòu)造工況的監(jiān)視和神經(jīng)控制器的再配置, 實現(xiàn)衛(wèi)星構(gòu)造的高度自主控制。應(yīng)盡量利用軟件來實現(xiàn)硬件的功能, 由于衛(wèi)星軟件可在飛行過程中不斷晉級, 提高衛(wèi)星的自主才干。模塊化與多功能系統(tǒng)設(shè)計在未來的微小衛(wèi)星設(shè)計中, 構(gòu)成衛(wèi)星的最根本單元不再是分立的元器件、零部件,而是多芯片模塊( MCM)及其組合(疊層式多芯片模塊),并在此根底上將衛(wèi)星功能系統(tǒng)設(shè)計成“功能塊(functional block) ,經(jīng)過接口實現(xiàn)功能的隔離和銜接, 進而構(gòu)成多功能系統(tǒng)。開展現(xiàn)狀世界情況微小衛(wèi)星體積小、分量輕、研制周期短、本錢低、發(fā)射方式靈敏，在軍事上有較大的運用潛力，20世紀80年代中期以來遭到越來越多國

10、家的注重。美國已發(fā)射分量在幾百千克以下的多種小衛(wèi)星和分量缺乏10千克的實驗型納衛(wèi)星和皮衛(wèi)星； HYPERLINK baike.baidu/view/3565.htm t _blank 英國、 HYPERLINK baike.baidu/view/14445.htm t _blank 瑞典也在2000年發(fā)射了納衛(wèi)星； HYPERLINK baike.baidu/view/64741.htm t _blank 法國、 HYPERLINK baike.baidu/view/2174.htm t _blank 印度、 HYPERLINK baike.baidu/view/4484.htm t _bla

11、nk 阿根廷、 HYPERLINK baike.baidu/view/10206.htm t _blank 智利、 HYPERLINK baike.baidu/view/5399.htm t _blank 巴西、韓國、 HYPERLINK baike.baidu/view/7026.htm t _blank 泰國、 HYPERLINK baike.baidu/view/6853.htm t _blank 巴基斯坦等國曾經(jīng)有了本人的小衛(wèi)星。此外， HYPERLINK baike.baidu/view/2680.htm t _blank 印度尼西亞、 HYPERLINK baike.baidu/v

12、iew/7009.htm t _blank 馬來西亞、 HYPERLINK baike.baidu/view/3222.htm t _blank 菲律賓等國以及中國臺灣地域正在與航天大國協(xié)作研制小衛(wèi)星或微衛(wèi)星。7 中國情況早在1995年，中科院就根據(jù)國家未來星地通訊技術(shù)開展需求，提出要自主研制中國首顆分量100公斤以下的低軌道數(shù)據(jù)通訊小衛(wèi)星及其通訊系統(tǒng)。1996年，中科院微系統(tǒng)所提交了研制低軌道數(shù)據(jù)通訊小衛(wèi)星及其通訊系統(tǒng)的報告。1997年底，中科院正式經(jīng)過了特別支持艱苦工程“存儲轉(zhuǎn)發(fā)通訊小衛(wèi)星及其運用系統(tǒng)的立項，預(yù)備研制一顆雙向數(shù)據(jù)通訊的小衛(wèi)星“創(chuàng)新一號。研制義務(wù)主要由上海微系統(tǒng)所和上海技術(shù)物

13、理所等單位承當(dāng)。進入知識創(chuàng)新工程的上海微系統(tǒng)所在體制和機制改革上的推進，為“創(chuàng)新一號的研制奠定了堅實的科學(xué)技術(shù)根底。2003年10月21日，中科院知識創(chuàng)新艱苦工程“創(chuàng)新一號存儲轉(zhuǎn)發(fā)通訊小衛(wèi)星勝利發(fā)射入軌，“創(chuàng)新一號小衛(wèi)星以存儲轉(zhuǎn)發(fā)的任務(wù)方式，實現(xiàn)全球范圍的非實時低軌道雙向數(shù)據(jù)通訊。為提高抗干擾及加強嚴密性，衛(wèi)星的通訊載荷采用了擴頻通訊技術(shù)。衛(wèi)星為太陽能電池貼裝六面體的構(gòu)造方式，采用重力梯度加磁力矩器自動姿控并輔加微型動量輪的姿態(tài)控制方案。衛(wèi)星總重80余公斤，平均功耗30瓦。這是中國自主研制的第一顆100公斤以下的微小衛(wèi)星，也是中國第一代低軌道數(shù)據(jù)通訊小衛(wèi)星，對中國微小衛(wèi)星的研討開展起到了重要作

14、用，中國開展微小衛(wèi)星事業(yè)的新局面也從此翻開。 2021年9月，神七載人飛船的伴星又飛入太空，這是在承繼中科院創(chuàng)新一號小衛(wèi)星成熟技術(shù)的根底上研制的中國第一顆空間伴隨微小衛(wèi)星。隨后，創(chuàng)新一號02星也于同年11月勝利發(fā)射升空。另外,中國還有許多大學(xué)、公司與參與研發(fā)微小衛(wèi)星，如：清華大學(xué)、中國航天機電集團公司共同研制的“清華航天一號微小衛(wèi)星， HYPERLINK baike.baidu/view/118930.htm t _blank 中國衛(wèi)星與深圳航天科技創(chuàng)新研討院、 HYPERLINK baike.baidu/view/97.htm t _blank 哈爾濱工業(yè)大學(xué)國家大學(xué)科技園共同設(shè)立的航天東方紅海特公司研制的“實驗一號和“實驗三號衛(wèi)星，浙江大學(xué)的“皮星一號A以及 HYPERLINK baike.baidu/view/5146.htm t _blank 南京航空航天大學(xué)推出