微納衛(wèi)星一種新的發(fā)射方式
—空間站釋放

徐映霞（北京空間科技信息研究所）

微納衛(wèi)星一種新的發(fā)射方式
—空間站釋放

徐映霞（北京空間科技信息研究所）

近兩年來，一種使微納衛(wèi)星進入空間的新方法—空間站釋放，呈現(xiàn)出迅速增長的應用趨勢，受到越來越多的關注。相對于常見的作為主載荷的發(fā)射方式，空間站釋放可降低發(fā)射時承受的振動和沖擊載荷，減小微納衛(wèi)星受損的可能性；還可以在釋放前進行外觀以及功能和性能檢查，確認微納衛(wèi)星狀態(tài)，必要時進行一定的修補。

1　概述

近十幾年來，高可靠商業(yè)器件、小型化和材料等技術的快速發(fā)展，使得納衛(wèi)星取得了長足進步，特別是近幾年適用于納衛(wèi)星的關鍵部組件研制完成，更加速了納衛(wèi)星的快速應用。從2012年開始，納衛(wèi)星呈現(xiàn)迅猛增長的趨勢，納衛(wèi)星的目標也在教育用途的基礎上，增加了多種科學和技術研究以及意義深遠的用途，如對地觀測、空間氣候、空間態(tài)勢感知等。許多小國家以納衛(wèi)星為敲門磚進入航天領域，實現(xiàn)衛(wèi)星的首發(fā)突破。2014年，美國通過“國際空間站”釋放形成“鴿群”對地觀測納衛(wèi)星星座，實現(xiàn)了分辨率3～5m的區(qū)域連續(xù)觀測。

納衛(wèi)星發(fā)射增長情況

但是進入空間的能力一直是這些微納衛(wèi)星低成本執(zhí)行任務的障礙之一。通常，航天器從地面上的衛(wèi)星發(fā)射場通過運載火箭送入預定軌道，這個費用是相當可觀的。對于微納衛(wèi)星，特別是執(zhí)行空間技術實驗和驗證任務的微納衛(wèi)星，根本無法獨自承受進入空間的巨額費用，而是采用搭載發(fā)射的方式進入空間。但是搭載發(fā)射的機會是有限的，沒有發(fā)射時間的獨立性，成本也不夠低廉，而且存在一系列技術和程序上的挑戰(zhàn)。首先要選擇適合的主載荷任務，得到主載荷用戶的認可，因為這種搭載發(fā)射對主載荷的整個計劃沒有好處，還可能存在技術、進度和成本上的風險；其次，搭載載荷必須聽從主載荷的日程和發(fā)射要求，提前提供搭載載荷的初步數(shù)據(jù)，有時需提前2～3年。而大多數(shù)微納衛(wèi)星的計劃周期較短，無法提前給出。另外還要滿足一些附加要求，發(fā)射環(huán)境條件往往也比較嚴酷。

近兩年來涌現(xiàn)出一種新的發(fā)射方式，即由貨運飛船將微納衛(wèi)星帶入“國際空間站”，將“國際空間站”作為天基發(fā)射場，從空間“發(fā)射”。這種方法大大減少了發(fā)射費用，拓寬了空間站的應用范圍，而且不存在上述限制，正在逐步受到關注。

美國“鴿群”納衛(wèi)星星座獲得的地球圖像

從“國際空間站”釋放納衛(wèi)星的數(shù)量

2　空間站釋放的特點和技術需求

空間站釋放的特點

從空間站釋放微納衛(wèi)星，首先需要通過貨運飛船運到空間站的空間“發(fā)射場”，然后從空間站釋放。貨運飛船發(fā)射時，微納衛(wèi)星在飛船上可靠固定，并用吸振材料包裹保護，大大降低了發(fā)射時的振動和載荷，因而可略去抗力學環(huán)境的加強結構，節(jié)省質(zhì)量和體積，更有效地利用資源。其次，微納衛(wèi)星到達空間站后，航天員進行安裝天線、太陽電池翼等簡單裝配，降低發(fā)射環(huán)境對這些懸臂結構的損壞幾率，并進行外觀以及功能和性能的加電檢查，確認衛(wèi)星狀態(tài)完好，必要時還可進行簡單維修。另外，從空間站釋放微納衛(wèi)星還有利于及時應對突發(fā)狀況，降低應對成本。未來或許可以成為脫離低地球軌道（LEO）的一個跳板，進一步開拓新應用。

但是空間站釋放也存在著一定的局限性，首先，軌道單一，目前所有釋放的納衛(wèi)星均與空間站處于同一軌道；其次，存在軌道衰減快、衛(wèi)星壽命短（一般不超過12個月）的弱點。

空間站釋放的商業(yè)運營

美國N a n o R a c k s公司與美國航空航天局（N A S A）簽訂了空間法協(xié)議（S p a c e A c t Agreement），該公司一直為“國際空間站”上的美國國家實驗室提供商業(yè)硬件和服務，也負責提供空間站“發(fā)射”服務。2013年，空間飛行公司（Spaceflight）與NanoRacks公司合作，共同提供“國際空間站”的微納衛(wèi)星釋放服務。

NanoRacks公司和空間飛行公司為用戶發(fā)射微納衛(wèi)星的平均準備時間（從商業(yè)合同簽訂到發(fā)射）為9個月，微納衛(wèi)星可通過“龍”（Dragon）飛船、“天鵝座”（Cygnus）、歐洲“自動轉(zhuǎn)移飛行器”（ATV）和“H-2轉(zhuǎn)移飛行器”（HTV）進入空間站。發(fā)射費用一般為8.6萬美元/1U立方體衛(wèi)星，這包括了除衛(wèi)星建造之外的所有費用。衛(wèi)星研制方需要提供包括圖紙在內(nèi)的衛(wèi)星硬件詳細資料，發(fā)射前6個月交付占位（placeholder）衛(wèi)星硬件，提前2個月交付衛(wèi)星，一般情況下到達空間站約1個月后開始釋放。出于空間站安全考慮，衛(wèi)星所用的電池需要進行批檢或者直接采購NanoRacks公司獲準使用的產(chǎn)品；用戶還需自行申請無線電頻率許可。

日本載人航天系統(tǒng)公司（JAMSS）載人航天系統(tǒng)部（MSSD）也為微納衛(wèi)星研發(fā)者提供空間站釋放服務。在得到日本宇宙航天研究開發(fā)機構（JAXA）的認可后，衛(wèi)星的整個研發(fā)過程需要遵守日本希望號實驗艙（JEM）有效載荷適應手冊（JPAH）的要求，接口兼容性和安全性需要由JAXA評審。日本載人航天系統(tǒng)公司還負責航天員和飛行控制人員的培訓，使航天員和地面人員熟悉微納衛(wèi)星的釋放硬件及其操作步驟。

“國際空間站”釋放方案

實現(xiàn)空間站釋放的技術需求

空間站釋放的技術考慮主要有兩個方面，一是需要制定釋放策略，保證安全可靠；二是需要完成釋放的硬件裝置。

空間站釋放策略主要從安全性的角度考慮，包括釋放后微納衛(wèi)星可能對空間站產(chǎn)生的碰撞威脅、微納衛(wèi)星相互間的碰撞、對空間站的通信干擾，以及可能產(chǎn)生的空間碎片等。它與“一箭多星”發(fā)射的釋放考慮有類似之處?！耙患嘈恰卑l(fā)射中，次載荷釋放遇到的問題主要有3個：一是要避免次載荷與主載荷和運載火箭相互接觸；二是避免次載荷之間相互接觸；三是次載荷軌道衰減的管理。釋放機動方案的設計是確保載荷安全地完成任務的關鍵，在已完成的“一箭多星”發(fā)射中得到了驗證。所不同的是，“一箭多星”發(fā)射時，幾十分鐘內(nèi)的釋放數(shù)量最多可達到幾十顆，而從空間站釋放時，每次釋放的數(shù)量僅為幾顆，因此相對降低了釋放策略的復雜程度。

已經(jīng)進入空間站的釋放硬件裝置有3種：JAXA研制的小衛(wèi)星軌道釋放裝置（J -SSOD）、美國N a n o R a c k s公司研制的立方體衛(wèi)星釋放器（NRCSD）和NASA約翰遜航天中心（JSC）開發(fā)的50～100千克級微衛(wèi)星釋放系統(tǒng)（Cyclops）。

小衛(wèi)星軌道釋放裝置是最早在空間站使用的釋放硬件，2012年10月首次使用。它由2個衛(wèi)星安裝容器、分離機構和電路盒組成。衛(wèi)星安裝容器為長方體形狀，帶彈簧預緊，2個容器最多可容納6U立方體衛(wèi)星；分離機構提供釋放時的分離力，實現(xiàn)速度增量。

JAXA研制的小衛(wèi)星軌道釋放裝置

美國NanoRacks公司研制的立方體衛(wèi)星釋放器

NASA約翰遜航天中心開發(fā)的微衛(wèi)星釋放系統(tǒng)

立方體衛(wèi)星釋放器的首次使用是2014年2月，其設計符合NASA“國際空間站”安全性要求，整體尺寸為130mm×175mm×840mm，為長方體管型結構，包括陽極化的鋁板、基板組件、衛(wèi)星安裝面板和釋放門。每個釋放器最多可容納1個6U立方體衛(wèi)星，最多可安裝8個釋放器，同時容納16個3U立方體衛(wèi)星。釋放器的內(nèi)壁光滑，釋放時衛(wèi)星盡量不與釋放器的內(nèi)壁接觸，保證衛(wèi)星受到的阻力最小。

衛(wèi)星釋放系統(tǒng)適用于50～100千克級微衛(wèi)星的釋放，目前只使用過一次，即2014年11月將美國海軍實驗室的“專用廉價衛(wèi)星”（Spinsat）釋放到太空。衛(wèi)星釋放系統(tǒng)的設計也符合“國際空間站”安全性要求，尺寸約為127cm×61cm×7.6cm，壽命與“國際空間站”任務期相匹配。衛(wèi)星釋放系統(tǒng)與日本希望號實驗艙氣閘艙、“國際空間站”機械臂以及微衛(wèi)星均有接口，對微納衛(wèi)星的體積包絡也有一定限制。

最早從空間站釋放衛(wèi)星是在1995年，地球科學研究中心－1（GFZ－1）衛(wèi)星由“進步”飛船帶入和平號空間站，11天后航天員通過艙外活動釋放到太空。這個直徑21.5cm、質(zhì)量20.63kg、帶有60塊激光回射器的無源球在軌工作了4年64天，獲得的數(shù)據(jù)改善了地球重力場模型的精度和分辨率。

“國際空間站”首次釋放衛(wèi)星于2011年進行，目前有2種釋放方式：航天員通過艙外活動手工釋放和航天員或地面人員操控、通過機械方式從日本希望號實驗艙氣閘室釋放（不需要航天員出艙）。前一種方式釋放的微衛(wèi)星不太受衛(wèi)星形狀、質(zhì)量的限制，后一種方式釋放的立方體納衛(wèi)星，需滿足一定要求的100kg以下的微衛(wèi)星。

要釋放的微納衛(wèi)星首先由貨運飛船帶到“國際空間站”，航天員在日本希望號實驗艙內(nèi)將衛(wèi)星安裝在釋放裝置上，再將釋放裝置安裝到多用途實驗臺（MPEP），多用途實驗臺與滑動臺相連，由滑動臺將多用途實驗臺轉(zhuǎn)送到“國際空間站”外部，日本希望號實驗艙上的遠程操縱器系統(tǒng)（JEMRMS）抓住多用途實驗臺或衛(wèi)星釋放系統(tǒng)（對于衛(wèi)星釋放系統(tǒng)，也可由“國際空間站”的遠程操縱器系統(tǒng)抓住釋放）送到釋放位置，調(diào)準方位后釋放。需要時，空間站的遠程操縱器系統(tǒng)（SSRMS）和“國際空間站”其他相機可進行視頻監(jiān)控。

“國際空間站”釋放衛(wèi)星的瞬間

3　從“國際空間站”釋放獲得的啟示

空間站釋放微納衛(wèi)星的范圍正在擴大，并進一步開拓新應用

最初，空間站釋放微納衛(wèi)星由航天員的艙外活動完成，一次只釋放1顆微納衛(wèi)星。2012年日本的小衛(wèi)星軌道釋放器帶入空間站后，首次使用機械方式實現(xiàn)了立方體衛(wèi)星的釋放，一次可釋放多顆衛(wèi)星。2014年首次完成了由立方體衛(wèi)星構成的對地觀測星座的釋放，獲得了從分辨率和重訪周期2個角度評估較優(yōu)的星座性能。2014年11月首次嘗試釋放了50～100kg的微衛(wèi)星，進一步拓展了釋放范圍。

一些研究顯示，目前還在探索利用空間站和貨運飛船，在貨運飛船交付物品后升高軌道釋放小衛(wèi)星的新方式，即使用Altius航天機械公司研制的艙門吊籃（HatchBasket）系統(tǒng)解決對微納衛(wèi)星體積限制較嚴、軌道單一以及在軌壽命較短的問題，為更多的微納衛(wèi)星進入太空提供機會。NASA正在進行此套系統(tǒng)對空間站的安全性影響評估，通過后才能獲準在空間站應用。

空間站釋放的相關安全性需求正在逐步完善

隨著空間站釋放微納衛(wèi)星應用的增多，對其可能給空間站安全帶來的問題研究也在進行。“國際空間站”的安全性要求正在逐步完善中，這些安全問題包括：微納衛(wèi)星在空間站內(nèi)的操作過程中可能存在的安全隱患，比如所使用的材料和器件、測試過程等；避免所釋放微納衛(wèi)星相互之間和與空間站間碰撞，以及電磁干擾問題。

跟蹤并有計劃地開展空間站釋放的相關技術研究，

為我國空間站的充分利用做好技術儲備

空間站釋放需要釋放硬件和釋放方案的支持，并需要對所釋放衛(wèi)星的接口做出界定，以提高釋放硬件和軟件的適用能力，降低成本。這些技術包括小衛(wèi)星在軌釋放裝置、釋放方位和時機、防止多顆衛(wèi)星同時釋放時相互碰撞，以及與空間站碰撞、防止與空間站通信干擾等。同步開展這些技術的研究，有利于在我國空間站建成并投入運行后實現(xiàn)空間站釋放的功能，最大限度地利用空間站設施，多方位開展空間探索活動。

通過空間站釋放功能發(fā)揮高校等科研機構的

研究能力，加速航天新技術研發(fā)

空間站釋放功能的實現(xiàn)使航天工程成為一種經(jīng)濟可承擔的工程，大大降低了準入門檻。這樣，一方面解決了微納衛(wèi)星低成本進入太空的問題，為新技術提供真實環(huán)境的試驗平臺，有利于將復雜技術通過微納衛(wèi)星的形式逐項進行試驗，獲得第一手試驗數(shù)據(jù)；另一方面，高校等科研機構可以低成本地加入航天工程活動，利用自身科研力量集中的優(yōu)勢，開展高精尖的科學技術研究，在真實環(huán)境中進行試驗探索，有助于快速開發(fā)新技術，實現(xiàn)科技成果的應用與轉(zhuǎn)化。

New Way To Launch Nano/Micro Satellite: Being Released From ISS