衛(wèi)星應(yīng)用絕對(duì)不可忽略的一個(gè)重要領(lǐng)域
——利用技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星驗(yàn)證民用技術(shù)儀器和器件

· 文| 北京空間科技信息研究所 王存恩

衛(wèi)星應(yīng)用絕對(duì)不可忽略的一個(gè)重要領(lǐng)域
——利用技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星驗(yàn)證民用技術(shù)儀器和器件

· 文| 北京空間科技信息研究所 王存恩

通常，一談起衛(wèi)星應(yīng)用，人們自然就想到通信、廣播、地球觀測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、防災(zāi)、救災(zāi)、國(guó)家安全保障等，往往忽略了利用發(fā)射的技術(shù)（性能）試驗(yàn)衛(wèi)星驗(yàn)證先進(jìn)的民用技術(shù)、領(lǐng)先于國(guó)際水平的尖端儀器和器件是否能夠在航天器上應(yīng)用，而這恰恰是衛(wèi)星應(yīng)用無(wú)論如何也不可忽略的一個(gè)重要領(lǐng)域。

一、研制和發(fā)射技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星的目的

伴隨微電子、微機(jī)械、微光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，精密加工工藝水平的不斷提高，以及機(jī)電一體化、機(jī)光電一體化研發(fā)相繼取得顯著成果，使航天技術(shù)與先進(jìn)民用技術(shù)間的差距不斷拉大?？s小航天技術(shù)與先進(jìn)的民用技術(shù)差距已成為加快航天技術(shù)發(fā)展和提高應(yīng)用技術(shù)水平的關(guān)鍵。自20世紀(jì)90年代中期就開始探討研制和發(fā)射技術(shù)（性能）試驗(yàn)衛(wèi)星，進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)，許多國(guó)家和空間組織不僅研制，而且發(fā)射了技術(shù)驗(yàn)證衛(wèi)星，實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證先進(jìn)民用技術(shù)和采用這些先進(jìn)民用技術(shù)開發(fā)的采用有效措施的民用儀器和部件是否能夠在航天器上應(yīng)用。

結(jié)果證明：許多先進(jìn)的民用技術(shù)和采取行之有效對(duì)策后的儀器、元器件完全可能在航天器用，而采用后不僅可以大幅度地提高衛(wèi)星的設(shè)計(jì)和應(yīng)用水平，還可縮小航天技術(shù)與先進(jìn)民用技術(shù)間的差距（起碼10年），大幅度地降低開發(fā)成本（通常航天級(jí)器部件的開發(fā)成本是民用元器件的10～15倍），同時(shí)還能大幅度地增加衛(wèi)星的有效載荷比（最多可增加15%～20%），加快航天技術(shù)發(fā)展，提高應(yīng)用水平，進(jìn)而加快航天產(chǎn)業(yè)化速度，也為航天產(chǎn)業(yè)沿著好、快、省的方向發(fā)展創(chuàng)造了必要條件，乃至帶動(dòng)國(guó)家的產(chǎn)業(yè)振興。

二、在研發(fā)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星上，各國(guó)采取了迥然不同的模式

國(guó)際上許多航天強(qiáng)國(guó)啟動(dòng)了技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星計(jì)劃并發(fā)射了技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星，方法基本相同：首先，用科學(xué)方法從眾多的民用技術(shù)中篩選出有代表性的先進(jìn)技術(shù)，以及從采用這些先進(jìn)技術(shù)、新方法、新工藝開發(fā)出的各種儀器和部件中篩選出能經(jīng)受住苛刻的太空環(huán)境考驗(yàn)的儀器和部件，搭載在技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星上進(jìn)行驗(yàn)證，通過(guò)飛行驗(yàn)證者則被認(rèn)定為可供航天器選用的技術(shù)、儀器和部件。不過(guò)，在如何選擇能夠在技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星上實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證的先進(jìn)技術(shù)、儀器和元器件的方法是有很大差別：

1.美國(guó)

在軍方強(qiáng)力支持下，由國(guó)防部遠(yuǎn)景規(guī)劃局牽頭首先啟動(dòng)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星計(jì)劃，美國(guó)航天開發(fā)核心機(jī)構(gòu)——宇航局（NASA）以軍方研發(fā)成果為基礎(chǔ)，以其研發(fā)實(shí)力，借助軍方雄厚財(cái)力，從當(dāng)時(shí)國(guó)際上諸多先進(jìn)技術(shù)中挑選出最先進(jìn)的技術(shù)，以及最微小、輕型、性能最好、功能最強(qiáng)、功耗幾乎最低的儀器、元器件，首先在小型軍事衛(wèi)星上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證，然后再搭載在NASA等開發(fā)的技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星驗(yàn)證，軍方優(yōu)先選用。

2. 歐洲

在歐洲航天局（ESA）的部署下，利用小型技術(shù)試驗(yàn)任務(wù)系列星，驗(yàn)證遙感衛(wèi)星公用平臺(tái)和有效載荷平臺(tái)技術(shù)，為歐洲發(fā)展小型技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星奠定基礎(chǔ)。

（1）法國(guó)

在法國(guó)國(guó)家航天研究中心（CNES）領(lǐng)導(dǎo)和部署下，采用當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的民用技術(shù)研制并發(fā)射了包括地球觀測(cè)、無(wú)線電中繼、射電天文試驗(yàn)、被動(dòng)測(cè)地，以及采用PROTEUS平臺(tái)和LEOSTAR平臺(tái)的多顆衛(wèi)星，驗(yàn)證了高可靠性、低成本、研制周期短的微小型衛(wèi)星技術(shù)及其微小型化的部件。

（2）英國(guó)

在英國(guó)，技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星是以民營(yíng)股份公司——薩里衛(wèi)星技術(shù)公司為主，采取不管屬于哪個(gè)國(guó)家的產(chǎn)權(quán)，只要是其篩選選定的技術(shù)、儀器和元器件，均設(shè)法引進(jìn)和采購(gòu)，經(jīng)進(jìn)一步確認(rèn)性能后搭載在其開發(fā)的技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星上，用其他國(guó)家運(yùn)載工具將衛(wèi)星送入預(yù)定軌道。薩里衛(wèi)星技術(shù)公司的這種“引進(jìn)成熟技術(shù)、采購(gòu)國(guó)際領(lǐng)先水平的微小型化元器件發(fā)展微小型衛(wèi)星”模式不僅可確保研制周期短、成本低、用戶多，效益好，市場(chǎng)前景也相當(dāng)廣闊。

3.日本

日本，無(wú)論是在技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星開發(fā)政策，實(shí)施機(jī)構(gòu)，還是實(shí)施方法，都與美國(guó)、法國(guó)、英國(guó)有很大差別。其一，是政府支持，技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星列入國(guó)家航天開發(fā)計(jì)劃，主管單位，是國(guó)家航天開發(fā)核心單位宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）；選擇了一種產(chǎn)、學(xué)、研相結(jié)合的實(shí)施開發(fā)計(jì)劃的方法；其二，從國(guó)內(nèi)各研發(fā)機(jī)構(gòu)、民營(yíng)企業(yè)所擁有的國(guó)際領(lǐng)先水平的技術(shù)、元器件中挑選適于航天用的技術(shù)和能夠經(jīng)受住天空苛刻環(huán)境考驗(yàn)的儀器和元器件，再采取包括核輻照試驗(yàn)等嚴(yán)格的地面試驗(yàn)確認(rèn)其是否能滿足航天要求，再?gòu)哪軡M足要求者中選定并搭載在技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證；經(jīng)受住考驗(yàn)的技術(shù)、儀器、民用元器件，還要再配置在技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星或小微衛(wèi)星上至少再進(jìn)行一次驗(yàn)證，才允許推薦給長(zhǎng)壽命的應(yīng)用技術(shù)衛(wèi)星和科學(xué)衛(wèi)星選用。

三、研制和發(fā)射技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星的目標(biāo)明確，方法得當(dāng)

國(guó)際上許多航天應(yīng)用專家都認(rèn)為：盡管許多國(guó)家和空間開發(fā)機(jī)構(gòu)在技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星的開發(fā)政策不同，實(shí)施機(jī)構(gòu)也不一樣，實(shí)施方法各異，獲取技術(shù)、元器件的渠道也有許多差別，但開發(fā)目的不僅明確而且一致：尋覓未來(lái)航天任務(wù)所需的革新技術(shù)和采用這些新技術(shù)、新方法、新工藝開發(fā)的領(lǐng)先于國(guó)際水平的各種儀器和部件，特別是關(guān)鍵的儀器和部件并盡快在航天器上使用，這樣，不僅可縮小航天技術(shù)與先進(jìn)的民用技術(shù)之間的差距，而且可提高以衛(wèi)星為代表的航天器的設(shè)計(jì)、開發(fā)和應(yīng)用水平，增加航天器的有效載荷比，降低航天器的開發(fā)成本且提高在軌執(zhí)行飛行任務(wù)能力，確保航天技術(shù)沿著好、快、省的方向發(fā)展，拓展應(yīng)用范圍，加快航天產(chǎn)業(yè)化步伐，進(jìn)而帶動(dòng)國(guó)家產(chǎn)業(yè)振興，造福于人類。

日本資深的航天專家的川泰雄認(rèn)為：通過(guò)發(fā)射技術(shù)（性能）衛(wèi)星，驗(yàn)證先進(jìn)的民用技術(shù)、儀器和元器件能否在航天領(lǐng)域應(yīng)用是衛(wèi)星應(yīng)用的一個(gè)絕不能忽視的重要領(lǐng)域，通過(guò)大家的努力，政府做出將技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星列入國(guó)家航天開發(fā)基本計(jì)劃，由JAXA負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)，采取產(chǎn)、學(xué)、研相結(jié)合的模式，從國(guó)內(nèi)選擇最先進(jìn)、領(lǐng)先國(guó)際水平的技術(shù)、儀器和元器件搭載在技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證等的方法無(wú)異是正確的。也唯有這樣才能確保首先滿足國(guó)內(nèi)需求，擁有批生產(chǎn)，以及參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的自主權(quán)，這也是日本能夠成為“具備為國(guó)際航天市場(chǎng)提供高復(fù)雜性、有競(jìng)爭(zhēng)力的航天硬件和組件的主要國(guó)家”的重要原因之一。

四、日本發(fā)射的技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星

1.發(fā)射的技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星概況

日本已研制和成功發(fā)射了6顆技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星，成功發(fā)射的這6顆技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星分別是民用元器件性能驗(yàn)證衛(wèi)星（MDS）-1、下一代不載人空間實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（USERS）、微實(shí)驗(yàn)室（μ-Lab Sat）-1、創(chuàng)新小衛(wèi)星（INDES）、小型驗(yàn)證衛(wèi)星（SDS）1和4。用這6顆衛(wèi)星共驗(yàn)證了19項(xiàng)新技術(shù)；執(zhí)行了24項(xiàng)飛行任務(wù)，均取得成功；搭載了42種主要飛行任務(wù)儀器，其性能基本都得到了確認(rèn)；搭載了66種需要實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證的儀器、元器件和材料，確認(rèn)有62種能在航天器上采用。如表1所示。

表1　日本發(fā)射的6顆技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星概況

2.實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證的新技術(shù)

這 6顆衛(wèi)星共驗(yàn)證了19項(xiàng)新技術(shù)，包括：先進(jìn)的封裝技術(shù)、半導(dǎo)體抗輻射加固技術(shù)；航天器返回技術(shù)、微重力環(huán)境下晶體生成技術(shù)和“性能強(qiáng)、成本低、研制周期短”的民用器部件技術(shù)；50kg級(jí)小微衛(wèi)星公用平臺(tái)技術(shù)、月球女神（SELENE）中繼衛(wèi)星用分離機(jī)構(gòu)和遠(yuǎn)距離檢測(cè)技術(shù)；多模式、小型集成化、具備4種通信功能的標(biāo)準(zhǔn)脈沖轉(zhuǎn)發(fā)器技術(shù)、下一代空間通信網(wǎng)絡(luò)型數(shù)據(jù)處理模塊技術(shù)和采用尖端技術(shù)與器件開發(fā)的微處理器技術(shù)等。

3.執(zhí)行的飛行任務(wù)

這6顆衛(wèi)星共執(zhí)行了24項(xiàng)飛行任務(wù)。包括確認(rèn)民用器件在太空苛刻環(huán)境下的性能和功能、驗(yàn)證部件微小型化技術(shù)和測(cè)量空間輻射環(huán)境；確認(rèn)衛(wèi)星所提供的微重力環(huán)境能完成晶體生成并獲取高溫超導(dǎo)材料、確立一種更廉價(jià)的返回系統(tǒng)，以及低成本民用元器件能在航天器上采用；驗(yàn)證下一代先進(jìn)的衛(wèi)星技術(shù)、檢測(cè)在軌執(zhí)行小規(guī)模、高頻度科學(xué)觀測(cè)任務(wù)的能力，以及執(zhí)行用極光相機(jī)和粒子觀測(cè)裝置對(duì)極光微細(xì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行觀測(cè)的能力等。

4.搭載執(zhí)行飛行任務(wù)的儀器

這6顆衛(wèi)星共搭載42種需實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證的儀器和部件，包括含驗(yàn)證半導(dǎo)體器件、地面用太陽(yáng)電池和實(shí)驗(yàn)裝置的儀器的民用元器件驗(yàn)證儀器、含驗(yàn)證半導(dǎo)體記錄儀、CPV蓄電池、并列處理計(jì)算機(jī)用實(shí)驗(yàn)裝置的民用部件驗(yàn)證儀器和空間環(huán)境測(cè)量裝置；超導(dǎo)材料生成裝置、測(cè)量再入飛行環(huán)境的光學(xué)環(huán)境測(cè)量裝置、雙頻GPS接收機(jī)、汽車專用電子器件開發(fā)的星載計(jì)算機(jī)、采用民用器件研制的展開式散熱器、民用器件開發(fā)的星敏感器和慣性基準(zhǔn)單元等。

5.驗(yàn)證的儀器、元器件（材料）

這6顆星上總共驗(yàn)證了共66種儀器、元器件和材料，確認(rèn)能在航天器上應(yīng)用的民用元器件為62種。包括20Ah鎳氫（Ni-H2）共用壓力式蓄電池實(shí)驗(yàn)裝置；總線控制器、EEPROM和驅(qū)動(dòng)裝置；空間放射性粒子輻射劑量監(jiān)控儀、輻射劑量計(jì)量裝置、重離子觀測(cè)裝置和磁強(qiáng)計(jì)等。

6.驗(yàn)證的新技術(shù)與儀器、元器件在開發(fā)計(jì)劃中的應(yīng)用

發(fā)射的這6顆技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星驗(yàn)證了的19項(xiàng)新技術(shù)和62種儀器、元器件和材料，不僅在JAXA的開發(fā)計(jì)劃、各高校以及地區(qū)性航天開發(fā)結(jié)構(gòu)研制的小微衛(wèi)星中應(yīng)用，有些還出口到國(guó)外，為縮小航天技術(shù)與先進(jìn)的民用技術(shù)，航天用儀器、元器件與民用儀器、元器件間的差別，降低開發(fā)成本，提高日本航天產(chǎn)品在國(guó)際市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力，乃至加快星箭出口都發(fā)揮了重要作用。這里僅就所查找到的信息分別闡述每顆衛(wèi)星驗(yàn)證的新技術(shù)和儀器、元器件的應(yīng)用狀況。

五、推進(jìn)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星計(jì)劃的意義重大

日本通過(guò)執(zhí)行技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星計(jì)劃，不僅加快了先進(jìn)的民用技術(shù)和具有國(guó)際領(lǐng)先水平的微小型、輕型、低成本、高可靠性、競(jìng)爭(zhēng)力很強(qiáng)的民用器件、材料以及用這些器件和材料開發(fā)的尖端儀器在航天器上的應(yīng)用，還使之在縮小航天技術(shù)與先進(jìn)民用技術(shù)間差距方面走在了國(guó)際前列，縮小了日本與國(guó)際航天技術(shù)先進(jìn)國(guó)間的差距，甚至Futron公司等國(guó)際評(píng)級(jí)機(jī)構(gòu)也認(rèn)為日本是“能向國(guó)際航天市場(chǎng)提供高復(fù)雜度航天硬件和組件的主要國(guó)家之一”。這不僅加快日本航天產(chǎn)業(yè)化步伐，也使更多外國(guó)用戶了解、重視，乃至更加主動(dòng)要從日本引進(jìn)這些可用于航天的民用技術(shù)，訂購(gòu)某些采用日本國(guó)內(nèi)最先進(jìn)民用技術(shù)開發(fā)的儀器和部件；這也為三菱電機(jī)公司的DS2000平臺(tái)、日本電氣公司的ASNARO衛(wèi)星平臺(tái)和H-2A火箭進(jìn)入國(guó)際衛(wèi)星研制和發(fā)射市場(chǎng)發(fā)揮了重要作用。更讓日本政府有理由下決心支持技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星計(jì)劃。因?yàn)檫@不僅可縮小航天技術(shù)與先進(jìn)的民用技術(shù)、日本的航天技術(shù)與航天技術(shù)先進(jìn)國(guó)家間的差距，還能夠?yàn)槠鋰?guó)家產(chǎn)業(yè)振興，乃至走出國(guó)民經(jīng)濟(jì)低迷狀態(tài)發(fā)揮積極作用。

六、JAXA今后每?jī)赡昃桶l(fā)射1顆技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星

2015年1月9日，日本公布了新航天基本計(jì)劃，明確構(gòu)建以文部科學(xué)省JAXA為核心，官民并舉，產(chǎn)、學(xué)、研相結(jié)合的開發(fā)體制；還決定：今后每?jī)赡昃桶l(fā)射1顆技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星；2016年，國(guó)家下?lián)芰?0億日元作為新技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星計(jì)劃的啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)，2017年用一體化、模塊化設(shè)計(jì)，電子設(shè)備集成化、機(jī)光電一體化，功能軟件化，配備小型便攜式管控系統(tǒng)的改進(jìn)型全新全固體“艾普斯龍”火箭以一箭多星方式把這顆新技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星送入預(yù)定軌道。

JAXA還決定要通過(guò)嚴(yán)格篩選，有計(jì)劃、分步驟地利用技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證日本國(guó)內(nèi)領(lǐng)先于國(guó)際水平且能用于航天的高、精、尖民用技術(shù)，以及采用這些尖端技術(shù)，依據(jù)最新理論、采用最新工藝、最新方法和最新材料開發(fā)的儀器、部件，并使之盡快地用于航天還決定按如圖1所示的推進(jìn)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星項(xiàng)目的4個(gè)具體步驟，確保技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星達(dá)到航天開發(fā)戰(zhàn)略本部提出“既可滿足商用，又能滿足廣義的安全保障——防災(zāi)以及對(duì)災(zāi)害的雙向需求”，形成技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星研制、發(fā)射與應(yīng)用常態(tài)化，系列化，達(dá)到加快國(guó)家航天產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，增強(qiáng)日本航天產(chǎn)品在國(guó)際市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力，進(jìn)而帶動(dòng)國(guó)家產(chǎn)業(yè)振興的最終目的。

七、結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)研制和發(fā)射技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星，不僅實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證了日本許多領(lǐng)先于國(guó)際水平的高、精、尖民用技術(shù)，以及采用這些最新尖端技術(shù)、最新理論、最新工藝、最新方法和最新材料開發(fā)的多種儀器、部件，材料得以在航天領(lǐng)域應(yīng)用，屆時(shí)不僅使日本電氣公司開發(fā)的高性能的脈沖轉(zhuǎn)發(fā)器、紅外地球敏感器，三菱電機(jī)公司的熱管、鋰離子蓄電池、高轉(zhuǎn)換效率的太陽(yáng)電池翼、石川島播磨重工業(yè)公司生產(chǎn)的姿態(tài)軌道控制發(fā)動(dòng)機(jī)在國(guó)際航天產(chǎn)品市場(chǎng)上的占有率分別穩(wěn)穩(wěn)地達(dá)50%、50%、47%、47%、41%和25%～30%；在6顆技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星上所驗(yàn)證的19項(xiàng)技術(shù)和62種儀器、部件和材料，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證后，更會(huì)以其技術(shù)先進(jìn)，具備形狀微小、質(zhì)量輕型、性能好、功能強(qiáng)、功耗低、市場(chǎng)售價(jià)低，易于訂購(gòu)等等航天級(jí)技術(shù)、儀器、元器件、材料所不具備的特點(diǎn)，必將很快成為國(guó)際航天市場(chǎng)上的搶手貨，進(jìn)而穩(wěn)定其作為向國(guó)際航天市場(chǎng)提供高復(fù)雜度航天硬件和組件的主要國(guó)家的地位。

圖1　推進(jìn)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星項(xiàng)目的4個(gè)具體步驟