納衛(wèi)星的世界

宋心榮

近年來，小衛(wèi)星無疑是航天技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。在小衛(wèi)星中，質(zhì)量在1～10千克之間、具有實(shí)際使用功能的衛(wèi)星被稱為納衛(wèi)星。納衛(wèi)星因其低廉的制造和發(fā)射成本而更受歡迎。

納衛(wèi)星的源起

傳統(tǒng)的人造地球衛(wèi)星往往一顆衛(wèi)星搭載多個(gè)有效載荷，以實(shí)現(xiàn)不同功能，這就使得整星的質(zhì)量很大，其平臺(tái)的設(shè)計(jì)和建造都需要相當(dāng)?shù)募夹g(shù)水平。對(duì)于一般的機(jī)構(gòu)和個(gè)人來說，建造這樣的衛(wèi)星幾乎是不可能的事情。然而，隨著20世紀(jì)90年代以來電子技術(shù)的發(fā)展，單一有效載荷的質(zhì)量大大下降，這就使得建造僅搭載1～2個(gè)有效載荷的納衛(wèi)星成為可能。不過，對(duì)于缺乏實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的一般機(jī)構(gòu)和個(gè)人來說，如何設(shè)計(jì)僅有尺余大小的納衛(wèi)星就成了頭號(hào)難題。

早在1995年，斯坦福大學(xué)的空間與系統(tǒng)開發(fā)實(shí)驗(yàn)室就開始讓研究生嘗試獨(dú)立設(shè)計(jì)、建造OPAL（Orbiting Picosatellite Automatic Launoher，意為“繞軌皮衛(wèi)星自動(dòng)發(fā)射器”，皮衛(wèi)星比納衛(wèi)星更小，泛指重量小于1千克的衛(wèi)星）系列微衛(wèi)星。每顆OPAL微衛(wèi)星攜帶6顆皮衛(wèi)星，在軌道上將皮衛(wèi)星發(fā)射出去。OPAL母星和各皮衛(wèi)星都攜帶有磁力計(jì)，可以測(cè)量附近空間的地磁場(chǎng)。然而，學(xué)生們?cè)O(shè)計(jì)出的皮衛(wèi)星規(guī)格各異，發(fā)射起來很困難，往往需要配備復(fù)雜的發(fā)射裝置才能發(fā)射入軌。于是，負(fù)責(zé)學(xué)生衛(wèi)星項(xiàng)目的斯坦福大學(xué)的鮑勃·特威格斯教授找到了美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）尋求資金用于研制新的皮衛(wèi)星發(fā)射機(jī)構(gòu)。在DARPA的支援下，特威格斯教授做出了一個(gè)簡(jiǎn)單的發(fā)射機(jī)構(gòu)，將皮衛(wèi)星固定在一個(gè)推板上，彈簧推動(dòng)推板，將皮衛(wèi)星送入軌道，他將之命名為“皮衛(wèi)星軌道釋放器”（POD）裝置。POD裝置簡(jiǎn)單實(shí)用，質(zhì)量也很輕?！?jīng)發(fā)明，立刻受到各界的好評(píng)。

POD裝置不僅僅能用于發(fā)射皮衛(wèi)星，同樣也能用于發(fā)射納衛(wèi)星。POD裝置的推出促進(jìn)了納衛(wèi)星星箭接口標(biāo)準(zhǔn)化的進(jìn)程。因?yàn)閷?shí)現(xiàn)星箭接口標(biāo)準(zhǔn)化對(duì)星箭雙方均有重要意義，有利于衛(wèi)星開展模塊化設(shè)計(jì)，并降低星箭接口協(xié)調(diào)成本，提升發(fā)射效率。在實(shí)現(xiàn)星箭接口標(biāo)準(zhǔn)化的訴求下，特威格斯教授和加州理工的皮格薩拉教授于1999年提出了立方體納衛(wèi)星規(guī)范（CubeSat）。

立方體納衛(wèi)星規(guī)范的提出具有劃時(shí)代的意義。其標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)射接口和設(shè)計(jì)規(guī)范、低廉的制造和發(fā)射成本使得納衛(wèi)星的設(shè)計(jì)變得容易起來，納衛(wèi)星的發(fā)展從此步入快車道。

立方體納衛(wèi)星規(guī)范規(guī)定，尺寸為10厘米×10厘米×11.35厘米，質(zhì)量1.33千克為1 U納衛(wèi)星。納衛(wèi)星的長(zhǎng)寬均為10厘米×10厘米，高度和質(zhì)量都是前述基本單元的倍數(shù)，2U納衛(wèi)星的質(zhì)量則為2.66千克，尺寸為10厘米×10厘米×22.7厘米。同理還有0.5U，1.5U，或3U納衛(wèi)星。滿足這一規(guī)格的立方體納衛(wèi)星就都可以用POD裝置發(fā)射。目前發(fā)射的絕大多數(shù)納衛(wèi)星都是基于立方體納衛(wèi)星規(guī)范設(shè)計(jì)的。

立方體納衛(wèi)星規(guī)范不僅僅限定了納衛(wèi)星的尺寸和質(zhì)量，還對(duì)納衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)、推進(jìn)系統(tǒng)等方面提出了諸多要求。立方體納衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，均為1個(gè)以鋁合金為框架的立方體或長(zhǎng)方體。結(jié)構(gòu)中的所有材料的熱膨脹系數(shù)必須相同，以免卡在發(fā)射機(jī)構(gòu)中。納衛(wèi)星與發(fā)射推板接觸的那面還應(yīng)包有橡膠，以避免沖擊力損壞衛(wèi)星。在這樣小的空間內(nèi)，緊湊地安放著防輻射的星載計(jì)算機(jī)，姿態(tài)控制裝置，有效載荷，推進(jìn)裝置和通信裝置。大多數(shù)立方體納衛(wèi)星僅攜帶1～2個(gè)科學(xué)儀器作為其任務(wù)有效載荷。

在實(shí)際任務(wù)中，立方體納衛(wèi)星多是“搭便車”發(fā)射，作為發(fā)射配重打上去的。因此，其絕對(duì)不能威脅到發(fā)射任務(wù)的安全，危害主要衛(wèi)星。所以，立方體納衛(wèi)星規(guī)衛(wèi)星規(guī)范特別強(qiáng)調(diào)，納衛(wèi)星氣體儲(chǔ)罐內(nèi)的壓強(qiáng)不能超過1.2個(gè)大氣壓，只能儲(chǔ)存化學(xué)能為100瓦時(shí)以下的燃料，而且不能使用有毒燃料。這樣納衛(wèi)星就不易爆炸，即便爆炸，其威力也很難傷到主要衛(wèi)星。但這一限制給納衛(wèi)星的推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)造成很大麻煩。因?yàn)槟壳暗目臻g推進(jìn)系統(tǒng)都是采用高壓貯藏高能量密度的燃料，以產(chǎn)生較大推力并保證較長(zhǎng)的工作時(shí)間。而納衛(wèi)星卻被人為地限制了推力。由于有諸多限制，目前納衛(wèi)星一般選用惰性氣體推進(jìn)和化學(xué)推進(jìn)。使用惰性氣體最為安全，不過由于氣壓受限，推力只能用于維持軌道，想變軌則需使用化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)。目前納衛(wèi)星主要使用氫氧燃料的雙組分小型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。

由于空間有限，無法攜帶太多燃料或壓縮空氣，立方體納衛(wèi)星一般采用反作用飛輪和磁力矩器聯(lián)合的姿態(tài)控制系統(tǒng)。因?yàn)檫@一系統(tǒng)無需消耗壓縮空氣或燃料，最節(jié)約質(zhì)量和空間。

立方體納衛(wèi)星太陽(yáng)能電池面積有限，電力受限，通信裝置的功率也因此被限制在2瓦左右。立方體納衛(wèi)星一般使用VHF，UHF，L，S，C和X這幾個(gè)頻段的無線電通信系統(tǒng)。為了加大通信距離，其一般使用高增益天線。

基于上述規(guī)范，一大批成功的立方體納衛(wèi)星被設(shè)計(jì)和建造出來。其中比較著名的有斯坦福大學(xué)研制的QuakeSat系列地震探測(cè)衛(wèi)星，加拿大的多倫多大學(xué)研制的CANX系列太空試驗(yàn)平臺(tái)和東京工業(yè)大學(xué)研制的Cute系列星地通信試驗(yàn)衛(wèi)星。2003年6月30日，世界上首批6顆立方體納衛(wèi)星搭乘SS-19洲際彈道導(dǎo)彈改造的“呼嘯”號(hào)火箭從俄羅斯的普列謝茨克發(fā)射場(chǎng)升空，成功進(jìn)入太陽(yáng)同步軌道。由于立方體納衛(wèi)星成本低廉（1U立方體納衛(wèi)星建造僅需約5萬美元），可以實(shí)現(xiàn)空間科學(xué)研究和教學(xué)以及新技術(shù)演示驗(yàn)證等多種任務(wù)，其規(guī)范一經(jīng)驗(yàn)證成功后得到廣泛應(yīng)用。立方體納衛(wèi)星規(guī)范推出后，納衛(wèi)星的發(fā)射數(shù)量從2003年的7顆已經(jīng)上升到了2014年的141顆。而在2017年世界各國(guó)制定的衛(wèi)星發(fā)射計(jì)劃中，納衛(wèi)星的數(shù)量更是高達(dá)驚人的569顆，足見其發(fā)展之快。

納衛(wèi)星專用的運(yùn)載火箭

雖然納衛(wèi)星本身很便宜，但是其發(fā)射費(fèi)用卻仍舊不菲。使用目前主流的運(yùn)載火箭發(fā)射1顆1U納衛(wèi)星進(jìn)入近地軌道需要花費(fèi)10萬美元，而1顆3U納衛(wèi)星的發(fā)射費(fèi)用更是高達(dá)40萬美元，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了納衛(wèi)星本身的造價(jià)，這嚴(yán)重制約了納衛(wèi)星市場(chǎng)的發(fā)展。于是，各家商業(yè)航天公司都把目光放在了降低納衛(wèi)星發(fā)射成本上。各種納衛(wèi)星運(yùn)載火箭應(yīng)運(yùn)而生。其中美國(guó)萬有引力航天公司的納衛(wèi)星運(yùn)載火箭（NLV）算是比較先進(jìn)的一個(gè)。

萬有引力航天公司（GSC）總部位于加利福尼亞州的長(zhǎng)灘，是一家小型研發(fā)型公司，主要經(jīng)營(yíng)先進(jìn)空間技術(shù)和運(yùn)載火箭的開發(fā)。NLV火箭是萬有引力航天公司和加州大學(xué)長(zhǎng)灘分校聯(lián)合研制的兩級(jí)入軌納衛(wèi)星運(yùn)載火箭。其目標(biāo)是能將10千克的有效載荷發(fā)射到高度為250千米的近地軌道。整個(gè)項(xiàng)目對(duì)單位質(zhì)量的發(fā)射成本進(jìn)行了嚴(yán)格控制，力求低于傳統(tǒng)運(yùn)載火箭。

NLV火箭降低成本的一個(gè)很重要的方法就是通過提升火箭發(fā)動(dòng)機(jī)效率，減少燃料消耗，減輕火箭質(zhì)量。為此，萬有引力公司特別選用先進(jìn)的氣動(dòng)塞式噴管火箭發(fā)動(dòng)機(jī)作為一子級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)。這種發(fā)動(dòng)機(jī)比傳統(tǒng)的鐘形噴管發(fā)動(dòng)機(jī)緊湊得多，在各種飛行高度上都能以最佳膨脹比工作，大大提高了工作效率。NLV火箭各級(jí)均裝有降落傘，發(fā)射后可回收并二次使用，以最大限度地節(jié)約成本。

2004年，萬有引力公司完成了火箭的初步設(shè)計(jì)，制造出了一個(gè)縮比模型。6月，氣動(dòng)塞式噴管火箭發(fā)動(dòng)機(jī)完成了靜態(tài)試車。2004年12月4日，NLV縮比模型在位于莫哈維沙漠的發(fā)射場(chǎng)進(jìn)行了首次試射。試射主要是為了試驗(yàn)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。值得一提的是，該火箭從運(yùn)抵發(fā)射場(chǎng)，到發(fā)射，再到回收，都是在24小時(shí)內(nèi)完成的。

2005年5月24日，NLV全尺寸模型在加利福尼亞州的莫哈維沙漠試射成功?；鸺畲箫w行高度約為915米，隨后通過降落傘回收。2005年10月，新的NLV全尺寸模型進(jìn)行了試射。這一次火箭實(shí)現(xiàn)了回收后24小時(shí)內(nèi)的再次發(fā)射，驗(yàn)證了NLV快速可重復(fù)使用的能力。

2007年，萬有引力公司研制出了推力為2噸的氣動(dòng)塞式噴管火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。從2007～2011年，NLV全尺寸模型一共進(jìn)行了13次試射。通過不斷地試射，萬有引力公司改進(jìn)了火箭設(shè)計(jì)。火箭的最大飛行高度從1 000米左右上升到130千米。同時(shí)，萬有引力公司推出了升級(jí)版的NLV火箭設(shè)計(jì)，其能將20千克的有效載荷送入高度為450千米的軌道。2011年10月19日，NASA和萬有引力公司簽訂了發(fā)射合同，資助其完成NLV火箭的實(shí)用化，并將NASA的納衛(wèi)星發(fā)射計(jì)劃的一部分衛(wèi)星包給萬有引力公司發(fā)射。

NLV火箭只是世界上同期開展的數(shù)個(gè)納衛(wèi)星運(yùn)載火箭項(xiàng)目之一。前一陣子日本試射的超小型火箭也屬于納衛(wèi)星運(yùn)載火箭。先進(jìn)的可重復(fù)使用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是這些納衛(wèi)星運(yùn)載火箭的共性，也是目前航天技術(shù)發(fā)展的前沿。未來，這些小而精的納衛(wèi)星運(yùn)載火箭有望將1U納衛(wèi)星的發(fā)射成本降至30 000美元甚至數(shù)千美元。這無疑將為納衛(wèi)星的蓬勃發(fā)展創(chuàng)造條件。

展望

當(dāng)前納衛(wèi)星的發(fā)展方向主要有二，一為組建納衛(wèi)星星座，一為駛向深空。單一納衛(wèi)星能干的事情總歸有限，而數(shù)十個(gè)納衛(wèi)星組成的星座功能就很強(qiáng)大了。搭載光學(xué)照相機(jī)的納衛(wèi)星星座能夠?qū)Φ厍蛏先魏蔚攸c(diǎn)進(jìn)行連續(xù)的偵察。納衛(wèi)星星座在科學(xué)研究領(lǐng)域也有著巨大的潛力。國(guó)際合作的QB50項(xiàng)目就是通過納衛(wèi)星星座來觀測(cè)大氣層熱層的物理特性。同時(shí)，納衛(wèi)星現(xiàn)階段主要工作在近地軌道。如能使用納衛(wèi)星執(zhí)行深空任務(wù)，可大大節(jié)約發(fā)射成本，增加深空任務(wù)的次數(shù)，對(duì)人類探索月球及其以外的宇宙空間具有重大意義。NASA最近就推出了“立方體納衛(wèi)星任務(wù)挑戰(zhàn)”，鼓勵(lì)商業(yè)航天公司研發(fā)深空納衛(wèi)星?！傲⒎襟w納衛(wèi)星任務(wù)挑戰(zhàn)”懸賞500萬美元給第一個(gè)設(shè)計(jì)、制造出能夠在月球及其以外深空保持和地面的通信，并獨(dú)自開展探測(cè)活動(dòng)的納衛(wèi)星的團(tuán)隊(duì)。除了鼓勵(lì)商業(yè)航天公司創(chuàng)新，NASA自己也研制了2顆用于執(zhí)行深空任務(wù)的6U納衛(wèi)星。它們將被發(fā)射到火星軌道上，用于中繼火星著陸器和地球的通信。如果這一任務(wù)成功，那將是納衛(wèi)星首次成功執(zhí)行深空任務(wù)。

在這兩大發(fā)展方向中，駛向深空的難度要比組建納衛(wèi)星星座大得多。而通信問題和推進(jìn)問題則是妨礙納衛(wèi)星駛向深空的核心因素。納衛(wèi)星的無線電通信系統(tǒng)受尺寸和功率限制，有效通信距離不長(zhǎng)。納衛(wèi)星要想駛向深空，在通信技術(shù)上還需更多創(chuàng)新。而納衛(wèi)星的推進(jìn)系統(tǒng)則受限于嚴(yán)格的安全標(biāo)準(zhǔn)，不能使用高能燃料。因此，其不能自己變軌，甚至不能長(zhǎng)期維持在現(xiàn)有軌道上。結(jié)果導(dǎo)致納衛(wèi)星壽命普遍較短，無法長(zhǎng)期執(zhí)行任務(wù)，這對(duì)于執(zhí)行深空任務(wù)是很不利的。

不過，這兩大技術(shù)難題也并非不可解。首先，納衛(wèi)星運(yùn)載火箭的研發(fā)使得納衛(wèi)星可以獨(dú)立作為載荷發(fā)射，不再需要考慮主衛(wèi)星的安全。這會(huì)減少對(duì)納衛(wèi)星燃料使用的限制，納衛(wèi)星可以直接使用傳統(tǒng)燃料解決推進(jìn)問題。此外，薩里衛(wèi)星技術(shù)公司也已經(jīng)研制出了使用相對(duì)比較安全的以酒精和水作為燃料的超小尺寸火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，有望解決納衛(wèi)星的推進(jìn)問題。最后，NASA研制的用于執(zhí)行火星任務(wù)的MarCO立方體納衛(wèi)星采用了新型的大平板X波段天線，為解決納衛(wèi)星的深空通信提供了新的思路。所以，納衛(wèi)星突破技術(shù)瓶頸，大展身手的那一天即將來臨。

責(zé)任編輯：王鑫邦