基本介紹
- 中文名：微納衛星
- 外文名：Mirco/Nano satellite
- 屬性：太空飛行器
衛星介紹,發展現狀,微納衛星特點,在軌發射方式,結束語,
衛星介紹
20 世紀 80 年代末期以來，國際上出現了小衛星研究的熱潮。目前小衛星技術已發展至第三階段，即以微米、納米技術為基礎，依託以提高“功能密度”為核心的系統小型化、輕量化和低功耗等技術，採用全新的設計思想和概念，即更高度的三維集成化、一體化、模組化和功能軟體化，把衛星做到 100 kg 左右或 100 kg 以下，形成所謂的微/納（即微納）衛星。
發展現狀
微納衛星技術被視為 21 世紀國家技術與經濟發展的制高點。已開發國家都十分重視微小型技術在航天領域的套用並制定了相應的發展規劃，如智慧型卵石計畫、新千載計畫、銥星計畫、全球星計畫等，並顯示出良好的技術、經濟和社會效益。美國還開展了一系列的面向戰術套用的微納衛星項目。
從套用領域來看，除了在通信、遙感、電子偵察等領域獲得了較為廣泛的套用，目前微納衛星的套用已經拓展到了導航領域、技術試驗領域、空間對抗領域、體系概念創新領域、工程培訓領域[6]。在導航領域，美國空軍研究實驗室（AFRL）與薩瑞衛星技術美國公司（SSTL）簽署契約，開展中地球軌道（MEO）導航小衛星概念論證，以提供信號輔助增強，降低系統成本，提高系統的強健性、覆蓋範圍和精度。
在技術試驗領域，隨著“立方體衛星”技術和標準逐漸成熟，美國軍、民航天部門均制定了大規模的基於“立方體衛星”的空間試驗驗證計畫。在空間對抗領域，近 10 年，美國利用小衛星開展了交會接近、近距離機動、巡視、在軌操作等一系列技術驗證試驗，形成了一定的空間對抗能力。在體系概念創新領域，美國先後開展了“作戰快速回響空間”（ORS）、“提高軍事作戰效能的空間系統”（See Me）、“未來快速、靈活、自由飛行分離模組太空飛行器”（F6）系統等項目。在工程培訓領域，小衛星在航天工程教育和培訓以及國際合作中也發揮了重要的作用。
微納衛星特點
微納衛星具有體積小、重量輕、功耗低、開發周期短、性價比和功能密度高、隱蔽性好、機動靈活，可編隊組網、以更低成本完成很多複雜空間任務的優勢。 由於體積小、功耗低，微納衛星單星性能相對較低。微納衛星本體的體積、重量和成本大大下降引發出來的弱點是不能攜帶大的太陽電池帆板以提供大的電功率，也不能承載高增益天線以傳輸高速率數據。但可利用它靠近目標，近距離採集圖像傳輸給大衛星轉發地面或將數據存貯起來直接回收使用。由於微納衛星體積小、重量輕，易於回收，而且工作時間短，供電問題易解決，利用後一特點在發射運載器時，同步發射一顆或數顆微納衛星拍攝級間分離圖像和戰鬥部打擊敵方的效果，並發射成亞軌道在國內回收再使用。
在軌發射方式
使微納衛星快速進入空間的方法研究大約開始於1999年，最初都是在運載火箭上面做文章，通過改進運載火箭接口以及使用二級載荷適配器（ESPA），利用運載火箭的多餘推力，將微納衛星送入軌道。但是這些常規發射方式仍然不能滿足微納衛星迅速增長的進入空間需求，而且發射價格過高，難以承受，因而帶動了非常規方法進入空間的研究。
常規發射方式指通過運載火箭及上面級將微納衛星送入軌道的方式，現在較為成熟；非常規發射方式也稱在軌發射方式，即指多個太空飛行器一同搭乘運載火箭進入軌道，並與運載火箭及上面級分離後，在適當的時機由其中一個在空間運行的太空飛行器再次釋放，使另一個或另多個太空飛行器進入軌道的方式。目前在軌發射方式有如下幾種：
空間站釋放方式
目前，空間站釋放的商業服務由美國納萊克斯公司（Nano Racks）和空間飛行公司（Spaceflight）以及日本的載人航天系統公司（JAMSS）提供，其需求遠超出納萊克斯公司的預期，並已接近目前“國際空間站”可提供的極限。
從技術角度考慮，空間站釋放主要涉及兩個方面，一是要有釋放策略，二是需要硬體裝置。釋放策略主要從安全性考慮，包括釋放後的微納衛星對空間站可能產生的碰撞威脅、小衛星間的相互碰撞、對空間站可能造成的通信干擾以及可能產生的空間碎片等問題，因此需要確定釋放方向和速度增量，確保微納衛星的軌道衰減較快，軌道高度一直低於空間站；同時控制微納衛星的加電時間，保證足夠的安全距離，使空間站通信不受影響。空間站釋放的硬體裝置一般包括微納衛星安裝容器、分離機構和控制電路等幾部分，目前，空間站使用的釋放硬體有3種：日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）研製的小衛星軌道釋放裝置（J-SSOD，2012年開始使用）、納萊克斯公司研製的立方體衛星釋放器（NRCSD，2014年開始使用）和美國航空航天局（NASA）詹森航天中心JSC）研製的Cyclops釋放系統（2014年底首次使用）。
利用貨運飛船的方式
它利用貨運飛船推進系統以及攜帶的應急燃料，在完成任務的返回途中機動到預期軌道（可進入500km圓軌道），將微納衛星釋放到空間，解決空間站釋放壽命短、軌道單一、尺寸受限等問題。
Altius空間機械公司和納萊克斯公司負責這種 方 式 所 需 的 技 術 開 發 ， 包 括 艙 口 吊 籃 釋 放 系統、釋放控制器及釋放監視數字系統。這個釋放系統最多可容納40顆3U立方體衛星，或者安裝1顆60cm×60cm×100cm級的微衛星，釋放控制器實現微納衛星釋放、監視的冗餘控制，以及與貨運飛船的通信聯絡，接收電源和指令信號等。
微型母子衛星釋放方式
微型母子衛星釋放主要在低軌套用，母衛星一般由兩部分組成：衛星功能部分和子衛星釋放器。各子衛星釋放後，可以與母衛星共同完成同一任務，也可以獨立完成各自的任務。
美國康奈爾大學的“凱克衛星”（Kick Sat）就是母子衛星共同完成同一任務的例子。這個項目於2011年啟動，以大幅降低成本、使空間活動人人可及為目標，歷時2年多，完成了晶片子衛星“精靈”（Spirit，核心技術包括晶片衛星、晶片衛星釋放裝置）和軟體定義無線電（SDR）地面站的研製。雖然每顆晶片衛星質量僅為5g，但功能齊全，成本有望低於1000美元，衛星平台均使用晶片級部件，裝有科學研究感測器或相機。質量為5.5kg的“凱克衛星”單次可釋放多達200顆晶片子衛星，特別適合於大氣和空間環境的多點雲測量等科學任務。
寄宿衛星發射方式
商業地球靜止軌道（GEO）平台的寄宿衛星發射，指利用通信衛星平台的多餘能力，將微小衛星或納衛星集成到一個商業GEO通信衛星的主平台結構中，在地球同步轉移軌道（GTO）的上升段或到達地球靜止帶之後擇機再行釋放的方法。2008年，軌道科學公司（OSC，現已更名為軌道-ATK公司）和其GEO商業通信衛星合作夥伴提出利用商業通信衛星任務的高頻度和準時發射的特點、為微納衛星提供低成本進入空間的新穎概念，並利用星-2（Star-2）衛星平台進行此概念及構想的實施研究，通過對星－2衛星平台進行詳細設計更改和研究，確保實現從主衛星的天底甲板處釋放微小衛星，或者通過在“星”系列平台安裝立方體衛星釋放裝置，完成納衛星的釋放。
結束語
經過短短二十多年的發展，微納衛星已成為當今太空飛行器研製的主要趨勢之一，正對世界科技和經濟產生巨大的影響，代表了當今空間技術發展的一種新趨勢，受到了世界各國航天界的普遍重視，套用前景看好。隨著微納技術、一體化多功能結構、空間即插即用、集成化綜合電子等技術的發展和衛星設計思想的創新，微納衛星能力不斷提升，成為推進概念技術重大創新和探索航天轉型發展的前沿陣地。相比大衛星，微納衛星更加依賴國家的基礎工業水平，包括先進的微機械、微電子、材料、工藝等基礎技術。為促進微納衛星的可持續發展，要高度重視技術的創新發展，同時建立創新的機制，營造創新的環境，樹立創新的理念，在全世界宇航技術高速發展的今天，用微納衛星的創新帶動我國航天事業的創新發展。面向市場、持續發展、與時俱進，一定會迎來我國空間技術輝煌的明天。
