腦洞大開的小衛(wèi)星技術(shù)

□ 展鵬飛

腦洞大開的小衛(wèi)星技術(shù)

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隨著小衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，人們逐漸從它們身上找到了更多的用途，也發(fā)現(xiàn)了更多的問題。許多應(yīng)用在大型衛(wèi)星上的器件并不適合小衛(wèi)星，它們或者體積太大，或者耗電太多，或者價(jià)錢太貴。而小衛(wèi)星本身也逐漸承擔(dān)起更加嚴(yán)肅、更加業(yè)務(wù)化的工作，因此對(duì)性能有了更高要求。

在體積、成本和應(yīng)用之間，小衛(wèi)星應(yīng)當(dāng)如何找到平衡呢？當(dāng)然是通過新技術(shù)的發(fā)展和新器件的研發(fā)。在這里，我們就介紹最近新出現(xiàn)的一些腦洞大開的小衛(wèi)星技術(shù)。

▲ 法拉第平臺(tái)的發(fā)射前構(gòu)型

▲ 法拉第的立方星載荷

▲ 法拉第任務(wù)的徽章

▲ 法拉第平臺(tái)

法拉第先生，你該上天了

隨著商業(yè)航天的興起，參加衛(wèi)星研制的企業(yè)和機(jī)構(gòu)也越來越多。大家都在積極降低衛(wèi)星器件的成本，讓小衛(wèi)星更便宜。這個(gè)理念是著名小衛(wèi)星制造商薩里公司和一家叫做“在空間任務(wù)”的企業(yè)聯(lián)合提出的。主要目的是向各種研究機(jī)構(gòu)開放機(jī)會(huì)，薩里公司提供小衛(wèi)星平臺(tái)，在空間任務(wù)公司負(fù)責(zé)集成。所搭載的有效載荷最大可以達(dá)到50千克，最小可以是一塊芯片。在空間任務(wù)公司說，這實(shí)際上是給開發(fā)者提供機(jī)會(huì)，更加頻繁地測(cè)試自己研制的元器件。這樣的搭載價(jià)錢也不貴，搭載一塊芯片的飛行費(fèi)用只有12000美元。

當(dāng)然，這樣的理念用現(xiàn)成的小衛(wèi)星是很難實(shí)現(xiàn)的。因此兩家企業(yè)合作啟動(dòng)了一個(gè)叫做“法拉第”的項(xiàng)目,這個(gè)名字當(dāng)然來自著名電學(xué)家邁克爾·法拉第。這是一種下面大、上面小，有點(diǎn)像四方形基座的東西。四個(gè)斜坡就是太陽(yáng)能電池，星敏感器部署在底面的角落里。升入太空后，四個(gè)斜坡可以打開，一方面為太陽(yáng)電池提供更好的光照條件，另一方面也把內(nèi)部搭載的載荷暴露出來。這樣，載荷就可以接受輻射環(huán)境的考驗(yàn)，看看它們是不是能正常工作，還需要進(jìn)行哪些改進(jìn)。

我們之所以把“法拉第”叫做“東西”而不是衛(wèi)星，是因?yàn)樗_實(shí)不是衛(wèi)星。實(shí)際上，它還可以用來搭載布署立方星，1U立方星的搭載發(fā)射價(jià)格是12萬美元。

具體來說，“法拉第”可以搭載的載荷分為三大類。

一類叫做“小載荷”，最少1千克，最多50千克，折疊起來的尺寸不能超過50立方分米；平均功耗在50瓦，峰值功耗不能超過180瓦；每天的數(shù)據(jù)下行量不能超過150G字節(jié)。

▲ 法拉第的小載荷

▲ 法拉第的芯片級(jí)載荷

第二類就是立方星，但這種立方星并不會(huì)部署到軌道上，而是一直待在“法拉第”里面，實(shí)際上是為立方星研制者提供一個(gè)在軌測(cè)試的平臺(tái)。每個(gè)立方星的重量不能超過1千克，平均功耗1瓦，峰值功耗5瓦。“法拉第”上一共有5個(gè)這樣的搭載位，有些位置是特意為對(duì)地觀測(cè)或者天文觀測(cè)預(yù)留的。

至于專門測(cè)試芯片的是第三類，叫做“毫微微”。在“法拉第”上一共有5個(gè)“毫微微”搭載位置，單個(gè)位置的重量限制是75克，尺寸限制是88.9×69.8毫米，平均功耗0.1瓦，峰值功率限制0.5瓦，測(cè)試立方星主板什么的完全可以滿足。

按照薩里公司提供的說法，單個(gè)“法拉第”在湊足搭載客戶之后，要用6個(gè)月的時(shí)間完成所有研制工作，發(fā)射入軌之后可以工作5年。根據(jù)目前的計(jì)劃，第一個(gè)“法拉第”將在2019年發(fā)射，然后的兩年每年發(fā)射一次。

還能再小一點(diǎn)嗎？

最近，一家叫做約克航天的公司上了新聞。它雖然叫“YORK”,可是既不在紐約市，也不在紐約州，更不在英國(guó)的那個(gè)約克郡，而是在美國(guó)的丹佛市。

約克公司推出了一種叫做S級(jí)的衛(wèi)星平臺(tái)，自重65千克，能夠承載高達(dá)85千克的載荷，供電功率100瓦。從姿態(tài)控制精度來看，可以用作對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星。它的特點(diǎn)并不在于這里，而是開發(fā)快。公司號(hào)稱，一天之內(nèi)就能完成有效載荷與平臺(tái)的集成工作。現(xiàn)有的生產(chǎn)設(shè)施可以達(dá)到年產(chǎn)200顆衛(wèi)星的水平。平臺(tái)的價(jià)格只要65萬～16萬美元。之所以有這樣的價(jià)格范圍，是因?yàn)樯碳姨峁┝藦幕九渲玫胶廊A配置的選擇，比如增加星敏感器、專用的有效載荷飛行計(jì)算機(jī)、專用的有效載荷存儲(chǔ)器和發(fā)射機(jī)、更多太陽(yáng)能電池（最高3000瓦），甚至可以配裝超高速激光下行鏈路和場(chǎng)效應(yīng)電推力器。

S級(jí)衛(wèi)星平臺(tái)的一個(gè)賣點(diǎn)，是可以采用兩類先進(jìn)的推力器。這也是它實(shí)現(xiàn)較高姿態(tài)控制精度的要訣。約克公司為此選擇了兩個(gè)合作伙伴，一家是位于美國(guó)本土的Accion系統(tǒng)公司，一家是位于奧地利的Enpulsion公司。

這兩家企業(yè)的電推力器各有特色，但都做到了兩點(diǎn)：大幅度降低了設(shè)備的體積、復(fù)雜度和功耗；可以單獨(dú)使用，也可以拼接成推力器陣列，實(shí)現(xiàn)了模塊化。

Accion系統(tǒng)公司的產(chǎn)品叫做“瓦片狀液體電噴射器”，其實(shí)看上去，它更像是地磚。

按照這家公司的說法，“瓦片”系統(tǒng)中沒有傳統(tǒng)電推力器所需要的燃料罐、泵、閥門、有毒推進(jìn)劑、外置陰極和離子化室，最基本的單位就是一個(gè)焊接在電路板上的方塊而已。方塊的上方是網(wǎng)狀的平面，推力就從這里產(chǎn)生。

▲ Accion系統(tǒng)公司展示“瓦片”推力器

哈里斯要撈過界了！

小衛(wèi)星市場(chǎng)不但吸引著創(chuàng)業(yè)公司，也引來了此前不搞整星的哈里斯公司。這可不是什么小企業(yè)，而是世界知名的軍事通信巨頭。這家企業(yè)進(jìn)入小衛(wèi)星市場(chǎng)，帶來的可能是摧枯拉朽的效應(yīng)。

在航天領(lǐng)域，哈里斯原本只從事地面衛(wèi)星站的研制。但是從新一代銥星開始，哈里斯也進(jìn)入了星上器件的研制領(lǐng)域。哈里斯一方面加強(qiáng)自主研發(fā)，另一方面收購(gòu)了從事遙感器研制的Exelis公司。如今，哈里斯已經(jīng)是世界上最大的搭載有效載荷制造商。

▲ 銥星上貼滿了白色天線的白色梯形臺(tái)狀設(shè)備就是APPSTAR

如果我們觀察新一代銥星的外觀，會(huì)發(fā)現(xiàn)在對(duì)地面上有兩套天線。其中一套是工作在L頻段的主天線，呈正方形。在它的前面，有一個(gè)白色的梯形臺(tái)，上面裝滿了圓形的天線，形成了陣面。這就是哈里斯公司研制的APPSTAR載荷。這是一種所謂的軟件無線電設(shè)備，它打破了通信和雷達(dá)之間的界限——也就是說，用某種軟件可以把它當(dāng)做通信設(shè)備使用；換一種軟件，它就成了雷達(dá)。作為通信設(shè)備，它也可以滿足不同的需求、服務(wù)于不同的對(duì)象。

根據(jù)哈里斯公司的介紹，APPSTAR有三大類用途：跟蹤、通信和遙感。作為跟蹤用途，它可以用來跟蹤航船、飛機(jī)和其他信號(hào)源；作為遙感，它可以實(shí)現(xiàn)合成孔徑雷達(dá)、可見光/紅外、激光雷達(dá)功能，還可以用于氣象觀測(cè)；作為通信，它可以用于寬帶、窄帶和保密通信。

根據(jù)實(shí)際測(cè)試，如果軟件編制到位，只要不超過15秒的切換過程，它就可以變成另一種設(shè)備。其實(shí)，美國(guó)早在10多年前研制成功的F-22戰(zhàn)斗機(jī)上就實(shí)現(xiàn)了這種功能——機(jī)載雷達(dá)既可以作為雷達(dá)，也可以作為通信天線，還可以用來執(zhí)行電子偵察和電子對(duì)抗任務(wù)。在目前的銥星上，APPSTAR為兩家商業(yè)企業(yè)服務(wù)，提供飛機(jī)和航船位置監(jiān)視功能。

▲ 哈里斯搭載于新一代銥星上的APPSTAR用途很廣

新一代銥星投入使用后，在商業(yè)上取得了很大成功。其中包括APPSTAR。那么除了為別人提供載荷，哈里斯能不能自己搞衛(wèi)星呢？在這個(gè)想法的推動(dòng)下，哈里斯公司在航天與情報(bào)分公司下面成立了一個(gè)新的部門，叫做衛(wèi)星解決方案部。進(jìn)一步推出了全面的小衛(wèi)星有效載荷解決方案，其中包括多種可展開天線、SPACEVIEW成像系統(tǒng)和一種叫做HYPERCUBE的光學(xué)遙感衛(wèi)星。SPACEVIEW成像系統(tǒng)號(hào)稱能用0.2米的孔徑實(shí)現(xiàn)1米的分辨率和8個(gè)頻段的光譜分辨率，而HYPERCUBE把一套超光譜成像儀裝進(jìn)了6U的立方星里。不過在哈里斯公司看來，立方星還是太小，不足以實(shí)現(xiàn)高端用戶的目標(biāo)。他們正在研制一種不超過100千克的新衛(wèi)星平臺(tái)。

除了衛(wèi)星和載荷，哈里斯并沒有放松傳統(tǒng)的衛(wèi)星地面設(shè)備研制業(yè)務(wù)，其中不但包括便攜式地面站，還有新開發(fā)的數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)。按照哈里斯公司的說法，這是一系列“全套解決方案”。

▲ Dellingr衛(wèi)星想象圖

▲ 正在接受環(huán)境測(cè)試的Dellingr衛(wèi)星

可靠性還是大問題

在諸多腦洞之下，是小衛(wèi)星技術(shù)的迅速成長(zhǎng)。它們已經(jīng)不再僅僅是學(xué)生拿來練手的教具，也不再僅僅是技術(shù)開發(fā)的小白鼠，正在向著業(yè)務(wù)運(yùn)行衛(wèi)星的方向前進(jìn)。但是橫亙?cè)谛⌒l(wèi)星業(yè)務(wù)化應(yīng)用前面的，是“可靠性”這個(gè)攔路虎?？紤]到宇航系統(tǒng)的復(fù)雜性和高要求，腦洞和可靠性往往是一對(duì)矛盾。對(duì)此，美國(guó)宇航局深有感觸，一些負(fù)責(zé)人說，如果小衛(wèi)星的可靠性不提高，是不可能進(jìn)入正式業(yè)務(wù)的。

傳統(tǒng)學(xué)生小衛(wèi)星或者科研小衛(wèi)星都是搭載發(fā)射的，為了湊發(fā)射機(jī)會(huì)，經(jīng)常會(huì)放棄某些測(cè)試來趕進(jìn)度，如果衛(wèi)星壞了，再發(fā)射一次就好。

這其中的問題在于：小衛(wèi)星雖然便宜，但科學(xué)機(jī)會(huì)不見得便宜。假如用大型火星探測(cè)器攜帶一些小衛(wèi)星來到火星軌道上，然后放出小衛(wèi)星實(shí)施某些科學(xué)任務(wù)。這個(gè)時(shí)候，如果小衛(wèi)星忽然壞了，那么損失掉的不僅僅是這顆便宜的小衛(wèi)星，更是從地球到火星的兩年一次飛行機(jī)會(huì)、好幾個(gè)月的飛行時(shí)間和運(yùn)載火箭的運(yùn)力。某些繞地球運(yùn)行的星座也面臨著同樣的問題：小衛(wèi)星雖然便宜，但是如果因?yàn)樾l(wèi)星故障導(dǎo)致業(yè)務(wù)中斷，損失就大了。

因?yàn)樾⌒l(wèi)星很便宜，所以往往傾向于采用所謂的商業(yè)元器件。但是這些元器件往往不靠譜。NASA戈達(dá)德航天中心的Dellingr衛(wèi)星最近就遇到了這類問題。這顆衛(wèi)星曾經(jīng)被叫做“輻射帶衰減實(shí)驗(yàn)”衛(wèi)星，是一顆6U立方星，后來改用這位叫做Dellingr的北歐神話人物命名。美國(guó)宇航局希望用這顆衛(wèi)星來探索一種低成本的空間環(huán)境研究手段。所以，戈達(dá)德中心的工作人員打算和其他小衛(wèi)星團(tuán)隊(duì)一樣，用商業(yè)器件來構(gòu)造這顆鞋盒子大小的衛(wèi)星。

然而事實(shí)卻給他們上了一課。買來的元器件拆包之后根本不能用。經(jīng)過測(cè)試發(fā)現(xiàn)，這種器件只要超過某個(gè)溫度范圍就罷工了。還有一些器件貨不對(duì)板?？傊畣栴}很多。所以，團(tuán)隊(duì)緊趕慢趕，才讓Dellingr趕上了8月14日的發(fā)射。

這些問題也揭示了，為什么很多小衛(wèi)星一上天就罷工了。在正規(guī)衛(wèi)星研制過程中，元器件的質(zhì)量控制流程要嚴(yán)格得多，衛(wèi)星制造的高成本很大程度上也是這樣來的。

當(dāng)然，不能因?yàn)檫@樣的問題，就放棄降低衛(wèi)星成本的努力。所以，美國(guó)宇航局新近成立了一個(gè)“小型航天器可視化研究所”，致力于解決小衛(wèi)星可靠性的問題。研究所維護(hù)著一個(gè)叫做“現(xiàn)役在軌宇航器件”的數(shù)據(jù)庫(kù)，列出了已經(jīng)經(jīng)過在軌衛(wèi)星驗(yàn)證的器件，供開發(fā)者們挑選最合適自己任務(wù)的器件。當(dāng)然，這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)并不公開，想要的人必須向NASA提出申請(qǐng)，批準(zhǔn)之后才可以拿到。

責(zé)任編輯：夏丹