微小衛(wèi)星發(fā)展

1、微小衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展航天器體積和質(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)、生產(chǎn)、發(fā)射、運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)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安全性不可避免地下降了, 從而增加了失效概率。上述原因一方面使已經(jīng)發(fā)展航天技術(shù)的國家面臨資金緊張、 項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)性增大的嚴(yán)峻局面 , 從而處于一種進(jìn)退兩難的尷尬境地; 另一方面又使一些計(jì)劃發(fā)展航天高科技的國家或集團(tuán)不得不重新審視自身的經(jīng)濟(jì)與技術(shù)實(shí)力。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，特別是以微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS和微型光機(jī)電系統(tǒng)(MOEMS為代表的微米納米技術(shù)的發(fā)展，使得微型衛(wèi)星、納型衛(wèi)星甚至皮型衛(wèi)星的實(shí)現(xiàn)成為可能。 而現(xiàn)代社會信息化革命所帶來的對

2、利用空間技術(shù)獲取和傳輸信息的新需求則成為推動現(xiàn)代小衛(wèi)星發(fā)展的強(qiáng)大動力。 總之 , 現(xiàn)代小衛(wèi)星的興起是空間技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。微小衛(wèi)星的發(fā)展背景50年代80年代，由于運(yùn)載火箭的發(fā)射能力不斷提高，用戶對衛(wèi)星容量需求的增加 , 加上冷戰(zhàn)時(shí)期各國空間預(yù)算普遍增加 , 所以衛(wèi)星總的發(fā)展趨勢是大型化、 復(fù)雜化。 從 80 年代末開始 , 衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展呈兩種趨勢: 一是繼續(xù)發(fā)展大型復(fù)雜化衛(wèi)星 , 衛(wèi)星的重量和成本都大幅度增加 ; 二是發(fā)展可快速研制、生產(chǎn)和發(fā)射的低成本小衛(wèi)星。小衛(wèi)星迅速發(fā)展的原因可概括為如下幾點(diǎn):(1) 高新技術(shù)的進(jìn)步是現(xiàn)代小衛(wèi)星發(fā)展的重要推動力和必然結(jié)果。(2) 冷戰(zhàn)結(jié)束和軍備競賽的減弱

3、 , 使空間項(xiàng)目更加注重實(shí)效, 這促進(jìn)了小衛(wèi)星的發(fā)展。(3) 經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展對衛(wèi)星應(yīng)用需求的迅速擴(kuò)大, 也促進(jìn)了以小衛(wèi)星為基礎(chǔ)的星座系統(tǒng)開發(fā)。(4) 高技術(shù)條件下的現(xiàn)代戰(zhàn)爭對發(fā)展小衛(wèi)星提出了迫切的需求。(5) 科學(xué)實(shí)驗(yàn)和新技術(shù)驗(yàn)證都需要通過發(fā)展小衛(wèi)星來實(shí)現(xiàn)。(6) 提高發(fā)射頻度、降低風(fēng)險(xiǎn)的需要。微小衛(wèi)星概念在小衛(wèi)星發(fā)展的基礎(chǔ)上 , 由于微小型化技術(shù)的快速發(fā)展, 更進(jìn)一步促進(jìn)了小衛(wèi)星向微小型化發(fā)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(jìn)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) ,10k

4、g 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 , 其自身通常無法獨(dú)立完成空間任務(wù), 需要依賴分布式的星座或網(wǎng)絡(luò)才能實(shí)現(xiàn)其功能。用重量 ( 或者尺寸、經(jīng)費(fèi) ) 來定義和分類現(xiàn)代小衛(wèi)星具有清晰和直觀的優(yōu)點(diǎn) , 但卻無法闡述現(xiàn)代小衛(wèi)星的特點(diǎn) , 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)單位重量的功能 ) 進(jìn)行分類的方法 ,但這種方法又難于直觀給出小衛(wèi)星的概念。 因此 , 嚴(yán)格來講 , 現(xiàn)代小衛(wèi)星又是衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展進(jìn)步的一種表述。微小衛(wèi)星設(shè)計(jì)中的先進(jìn)技術(shù)微小衛(wèi)星發(fā)展的本質(zhì)是為了更進(jìn)一步地提高現(xiàn)代小衛(wèi)星的功能密度,它必須依靠微電子、微機(jī)械

5、、輕質(zhì)材料等高新技術(shù)的支持; 而要實(shí)現(xiàn)“快、好、省”的發(fā)展特點(diǎn) , 則需要采用全新的設(shè)計(jì)思路和技術(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)的快速發(fā)展。未來微小衛(wèi)星將要涉及的技術(shù)包括:(1) 先進(jìn)微型化化學(xué)推進(jìn)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(yuǎn)距離下行數(shù)據(jù)的星載射頻通信能力 ( 包括光通信能力 ) ;(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。

6、推進(jìn)技術(shù)未來微小衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)中急需解決的重點(diǎn)技術(shù)有 :(1) 具有高效費(fèi)比的微型固體燃料發(fā)動機(jī);(2) 微型液體燃料推進(jìn)器( 采用肼或高級單元推進(jìn)劑 ) ;(3) 超低功率微型冷氣推進(jìn)器;(4) 低成本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(jī)。發(fā)射技術(shù)未來微小衛(wèi)星的發(fā)射概念是, 由運(yùn)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)星完成其飛行任務(wù)所要求的不同姿態(tài)穩(wěn)定方式而加以靈活選擇。制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制 ( GN&C)微小衛(wèi)星對GN&哦

7、感器的要求是，重量低于0.2kg0.25kg，功率低于 0.1W,工作電壓低于3.3V,分辨率優(yōu)于0.1。具體的技術(shù)開發(fā)工作包括微型 反作用飛輪、微型三軸磁力計(jì)、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)處理( 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、低功耗處理平臺技術(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)星的尺寸與重量減小 1 個量 級。射頻技術(shù)微小衛(wèi)星射頻技術(shù)的未來發(fā)展

8、方向主要有兩個: 1 種是完全自主, 無需接收裝置 ; 另 1 種是采用“芯片接收機(jī)”技術(shù), 并將其集成到星載設(shè)備中。機(jī)械、結(jié)構(gòu)、材料(1)微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS淇研究目標(biāo)是把目前部件的質(zhì)量和體積減少到1/ 50 。(2)多功能結(jié)構(gòu)(MFS微電子機(jī)械系統(tǒng)的用途之一是構(gòu)建多功結(jié)構(gòu)。而多功能結(jié)構(gòu)技術(shù)是將許多單個部件制造成微型化部件 , 再把它們組裝到 “靈巧的殼體”內(nèi) , 部件之間的連接線都用電路板的跡線替代。(3) 新型材料未來微小衛(wèi)星將采用以復(fù)合材料為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu) ( 如石墨環(huán)氧樹脂等 ) 。與鋁制結(jié)構(gòu)相比 , 復(fù)合材料可使衛(wèi)星重量降低1/ 3, 還可提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛性。星上自主性與智能化控制

9、采用智能計(jì)算機(jī)進(jìn)行星上全面管理, 能實(shí)現(xiàn)高度自主性。 利用結(jié)構(gòu)自適應(yīng)神經(jīng)控制器可隨任意變化的情況自主改變算法 , 通過結(jié)構(gòu)工況的監(jiān)視和神經(jīng)控制器的再配置, 實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的高度自主控制。 應(yīng)盡量利用軟件來實(shí)現(xiàn)硬件的功能, 因?yàn)樾l(wèi)星軟件可在飛行過程中不斷升級, 提高衛(wèi)星的自主能力。模塊化與多功能系統(tǒng)設(shè)計(jì)在未來的微小衛(wèi)星設(shè)計(jì)中 , 構(gòu)成衛(wèi)星的最基本單元不再是分立的元器件、零部件，而是多芯片模塊(MCMM其組合(疊層式多芯片模塊),并在此基礎(chǔ)上將衛(wèi)星功能系統(tǒng)設(shè)計(jì)成“功能塊” (functional block) , 通過接口實(shí)現(xiàn)功能的隔離和連接, 進(jìn)而構(gòu)成多功能系統(tǒng)。發(fā)展現(xiàn)狀世界狀況微小衛(wèi)星體積小、重

10、量輕、研制周期短、成本低、發(fā)射方式靈活，在軍事上有較大的應(yīng)用潛力， 20 世紀(jì) 80 年代中期以來受到越來越多國家的重視。美國已發(fā)射重量在幾百千克以下的多種小衛(wèi)星和重量不足 10 千克的試驗(yàn)型納衛(wèi)星和皮衛(wèi)星； 、也在 2000年發(fā)射了納衛(wèi)星； 、 、 、 、 、韓國、 、等國已經(jīng)有了自己的小衛(wèi)星。此外， 、 、等國以及中國臺灣地區(qū)正在與航天大國合作研制小衛(wèi)星或微衛(wèi)星。 7中國狀況早在 1995 年，中科院就根據(jù)國家未來星地通信技術(shù)發(fā)展需求，提出要自主研制中國首顆重量100公斤以下的低軌道數(shù)據(jù)通信小衛(wèi)星及其通信系統(tǒng)。1996 年， 中科院微系統(tǒng)所提交了研制低軌道數(shù)據(jù)通信小衛(wèi)星及其通信系統(tǒng)的報(bào)告。

11、 1997 年底，中科院正式通過了特別支持重大項(xiàng)目“存儲轉(zhuǎn)發(fā)通信小衛(wèi)星及其應(yīng)用系統(tǒng)”的立項(xiàng)，準(zhǔn)備研制一顆雙向數(shù)據(jù)通信的小衛(wèi)星“創(chuàng)新一號”。研制任務(wù)主要由上海微系統(tǒng)所和上海技術(shù)物理所等單位承擔(dān)。進(jìn)入知識創(chuàng)新工程的上海微系統(tǒng)所在體制和機(jī)制改革上的推進(jìn)， 為“創(chuàng)新一號”的研制奠定了堅(jiān)實(shí)的科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)。 2003 年 10 月 21 日， 中科院知識創(chuàng)新重大項(xiàng)目“創(chuàng)新一號”存儲轉(zhuǎn)發(fā)通信小衛(wèi)星成功發(fā)射入軌， “創(chuàng)新一號”小衛(wèi)星以存儲轉(zhuǎn)發(fā)的工作方式，實(shí)現(xiàn)全球范圍的非實(shí)時(shí)低軌道雙向數(shù)據(jù)通信。為提高抗干擾及增強(qiáng)保密性，衛(wèi)星的通信載荷采用了擴(kuò)頻通信技術(shù)。衛(wèi)星為太陽能電池貼裝六面體的結(jié)構(gòu)形式， 采用重力梯度加磁力

12、矩器主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)通信小衛(wèi)星，對中國微小衛(wèi)星的研究發(fā)展起到了重要作用，中國發(fā)展微小衛(wèi)星事業(yè)的新局面也從此打開。2008 年 9 月， 神七載人飛船的伴星又飛入太空， 這是在繼承中科院創(chuàng)新一號小衛(wèi)星成熟技術(shù)的基礎(chǔ)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 月成功發(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(jī)電集團(tuán)公司共同研制的“清華航天一號”微小衛(wèi)星，與深圳航天科技創(chuàng)新研究院、國家大學(xué)科技園有限公司共同設(shè)立的航天東方紅海特公司研制的“試驗(yàn)一號”和“試驗(yàn)三號"衛(wèi)星，浙江大學(xué)的“皮星一號A