空間技術-5衛星

空間技術-5(Space Techology-5，ST-5)衛星是美國新盛世計畫的一顆技術試驗衛星，又稱“納衛星星座開拓者”，旨在演示驗證研製日地關係科學探測器所需的新技術。減小由智慧型微小衛星構成大星座的研製、生產、部署與運營風險。ST-5的研製貫徹了低成本理念，經費預算為2910萬美元。

ST-5包括3顆美國國家航空航天局(NASA)戈達德航天飛行中心研製的微小衛星。2006年3月22日，ST-5搭載飛馬座-XL火箭以一箭三星的方式發射入軌，任務計畫持續90d。3顆微小衛星完全相同。以相隔40～140km的距離排成一串，編隊飛行ST-5的主要任務是對地球磁場進行多點測量，任務於2006年6月30日圓滿結束。

基本介紹

• 中文名：空間技術-5衛星
• 外文名：Space Techology-5，ST-5
• 國家：美國
• 發射時間：2006年
• 又稱：納衛星星座開拓者、開拓者

項目背景

新盛世計畫是美國航宇局（NASA）執行的新技術飛行演示試驗空間計畫。其目的是滿足未來空間科學任務的需求，降低未來空間科學任務採用新技術的風險。新盛世計畫的第 1 個太空飛行器深空－1（DS－1）已經成功發射運行，並按計畫完成了包括太陽電推進在內的一系列新技術試驗任務；第 2 個太空飛行器深空－2（DS－2）由兩個微型探測器組成，1999 年 1 月搭載在“火星極地登入器”上發射，於同年 12 月抵達火星，但後來失去了聯繫；第 3 個太空飛行器空間技術－3 衛星（ST－3）用於驗證分散式干涉儀技術，目前正整裝待發；第 4 個太空飛行器地球觀測－1 衛星（EO－1）已於 2000 年 11 月發射，用於驗證先進的陸地成像技術。

1999 年 8 月，NASA 空間科學部決定研製“納衛星星座開拓者”（NCT），作為新盛世計畫的第 5 個太空飛行器 ST－5（簡稱“開拓者”）。“開拓者”衛星的任務是演示驗證研製 NASA 日地關係科學探測器所需的新技術。這是一個低成本的空間計畫，經費預計為 2910 萬美元。衛星用搭載的方式發射，以降低發射成本。

項目概況

“開拓者”計畫將研製、部署和運營 3 顆 20kg級的全功能微衛星。衛星的質量和功耗將比通常的小衛星降低一個數量級，適用於各類空間科學探測任務。“開拓者”將為未來發展納衛星星座提供新的關鍵技術，降低建造星座的風險。“開拓者”計畫有 3 項具體任務：

（1）設計、研製、總裝和運營 20kg 級的全功能衛星，衛星採用多項新技術；

（2）完成 20kg 級衛星的質量評價；

（3）設計、研製和運營多顆衛星，組成星座聯合工作。

3 顆衛星均採用自旋穩定，與大中型衛星一樣具有推進、導航、姿態控制、指令與數據管理及與地面高速通信（X 頻段）等功能。此外，還要實現星座管理，包括 3 顆衛星之間的相對導航、衛星間通信和地面系統自主運營。星載微型化儀器有向量磁強計和能量粒子探測器，用於演示驗證未來空間科學測量的平台和套用方案。

“開拓者”將驗證星座內衛星之間交換數據的能力，為多顆衛星協同工作，構成“虛擬衛星”積累經驗。衛星的總裝、測試及生產將採用商業通信衛星的總裝、測試技術和小批量生產，以降低生產成本。

3 顆衛星將作為次級有效載荷搭載在同一枚火箭上，送入地球靜止轉移軌道。然後，衛星用各自的星載微型冷氣推力器變軌，進入運行軌道。星上使用的元器件都經過篩選和抗輻射加固，預定在軌工作壽命 3 個月，但都有一倍的壽命餘量。為滿足工作壽命終止後（成為空間碎片）儘快離軌隕落的要求，轉移軌道近地點選擇較低的高度。

相關技術

“開拓者”衛星將採用一系列新技術。每一項技術都通過公開招標競爭，中標者擁有開發該項技術的智慧財產權。“開拓者”衛星在工作壽命期間驗證這些新技術的性能，用於開發可供繼承的技術或產品，以降低在未來任務中使用這些技術或產品的風險。

（1）鋰離子蓄電池

衛星採用由 2 個單體電池組成的鋰離子蓄電池，質量約 376g，用於星食期及高峰用電時供電。該電池比傳統的Ni Cd或Ni H₂電池的功率密度高出 2～3 倍。

（2）微型 X 頻段通信轉發器

該轉發器用於衛星與地面間通信，下行速率為 750kbit/s，功耗只有目前同類轉發器的 1/4，質量和體積比通常的商業現貨轉發器小一個數量級。

（3）可變發射率熱控組件

該組件包含 3 項不同的技術：電致變色、電泳和微機電系統（MEMS）百頁窗。電致變色裝置由晶體材料構成，當對其施加偏置電壓時，該晶體對紅外輻射的反射率就發生相應變化，從而可實現對發射率的調控。電泳裝置利用液體中的懸浮粒子在弱電場的作用下運動，形成高反射率的表面；MEMS百頁窗的設計和功能與傳統熱控百葉窗的原理一樣，只是採用了微機電系統技術實現。這些新穎的熱控組件都能隨著熱環境的變化而改變其發射率。3 顆“開拓者”衛星各採用三種不同熱控技術中的一種，進行演示驗證。

（4）CMOS 極低功率容許輻射（CULPRiT）邏輯電路（晶片）

“開拓者”衛星上的 Reed Solomon 編碼器採用 CMOS 極低功率容許輻射邏輯技術，以此來測試 1/4V CULPRi T 邏輯電路。該邏輯電路的晶片使用新工藝製造，其功耗只有目前市場上商業現貨的 1/20。晶片用下行遙測數據進行長碼長 Reed Solomon(223,255)編碼，它集成在衛星的指令與數據處理（C&DH）系統。

（5）多功能結構（MFS）

多功能結構將電子部件、柔性電路和搭接片等與結構板直接相連，取消了電纜和電連線器。“開拓者”衛星太陽電池陣的電池串、電源母線與充電控制器間的連線，採用多功能柔性連線技術。該技術可降低衛星的質量與功耗。此外，在任務設計階段還考慮將多功能結構技術用於衛星的功率分配。

（6）低功耗微型冷氣推力器

微型推力器用於調整衛星自轉軸的方向和執行軌道機動。該推力器所需功耗比常規推力器低一個數量級，所以即使它在工作時耗電，也不會影響星上其他儀器的工作。

（7）自主編隊飛行與通信儀（AFFCI）

該儀器與 GPS 接收機相結合，完成多項功能，從而保證若干顆分散的衛星形成一個智慧型化星座，能自主地評價星座狀態和控制星座。AFFCI 提供的功能見包括測量衛星間的相對距離、確定軌道、精確授時、星間通信及姿態粗確定等。

生產情況

“開拓者”衛星的研製和生產將充分借鑑商業通信衛星工業的總裝、試驗技術及小批量生產方式。

“開拓者”01 星將在初樣星階段進行試驗，驗證設計的完整性和製造工藝。當 01星完成 25%的總裝工作量時，就開始生產 02星和 03 星。02 星和 03 星的總裝、測試與01 星並行地進行。預計的測試環境由部件供應商根據其實踐經驗和試驗規範具體制定。地面系統中，要綜合利用地面測試系統與地面任務作業系統，目的是降低成本、減少接口，保證地面系統與在軌衛星之間的協調，以及地面系統對在軌衛星運行的有力支持。

主要參數

ST-5衛星質量25kg，白旋穩定，外形為八面體，直徑53cm，高48cm，功耗24W，質量和功耗都比通常的小衛星降低一個數量級，但具有普通衛星的全部功能。ST-5運行在近地點300km、遠地點4500km的橢圓軌道上。

主要任務

ST-5主要驗證衛星微型化技術和星座管理技術。在衛星微型化技術方面，ST-5採用的微型X頻段轉發器的質量和休積比當時的商業現貨部件小一個數量級，功耗只有同類X頻段轉發器的1/4，在上行數據傳輸速率1kbit/s、下行數據傳輸速率100kbit/s和200kbit/s條件下的誤碼率小於10-5；星上鋰離子蓄電池質量僅645g；微型冷氣推力器用於衛星軌道機動和姿態調整(最大推力2.1N，比沖大於60s)。星載微型化儀器包括向量磁強計和高能粒子探測器，用於演示驗證未來空間科學探測的平台和套用方案。在星座管理技術方面，ST-5採用的自主編隊飛行與通信儀可測量星間相對距離、確定軌道、精確授時、星間通信以及粗略確定衛星姿態，為實現多顆衛星協同工作，構成“虛擬衛星”進行技術積累；另外，地面系統進行了軟體升級，具備高度自主和高效星座管理功能，並加強了軌道預測能力，可使地面站在多約束條件下預報衛星通過的時間和路線。

評價

新盛世計畫 ST－5 將驗證 NASA 未來許多空間科學任務所需要的系統和技術。建造“開拓者”星座的目的是減少由智慧型微小衛星構成大星座的研製、生產、部署與運營的風險。“開拓者”衛星同時將演示星座技術，證明多顆衛星可以像單顆大衛星那樣在軌道上協調工作。儘管“開拓者”演示驗證的重點是滿足日地關係科學研究的需求，進行場和粒子的原位測量，但是它所開發的技術完全可套用於地球遙感、行星探測和商業航天工業等其他任務。