中國(guó)現(xiàn)代小衛(wèi)星發(fā)展成就與展望

白照廣

(航天東方紅衛(wèi)星有限公司,北京 100094)

20世紀(jì)80年代末到90年代,國(guó)際上以現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)為代表的現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展方興未艾。以美國(guó)為代表的政府部門為解決航天系統(tǒng)昂貴的研制成本,提出了“快、好、省”小衛(wèi)星發(fā)展技術(shù)倡議;以摩托羅拉等公司為代表的商業(yè)與企業(yè)界為推進(jìn)航天產(chǎn)品商業(yè)應(yīng)用,聯(lián)合提出了銥星全球移動(dòng)通信衛(wèi)星星座;以美國(guó)猶他州立大學(xué)及英國(guó)薩瑞大學(xué)為代表的大學(xué)院校為實(shí)現(xiàn)航天技術(shù)演示,提出了低成本微納衛(wèi)星項(xiàng)目;以韓國(guó)為代表的中小國(guó)家為涉足航天,紛紛開始了小衛(wèi)星的研制活動(dòng)。

在此大潮推動(dòng)下,我國(guó)同期也開始了現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)跟蹤和實(shí)踐。中國(guó)空間技術(shù)研究院在20世界90年代初期適時(shí)安排了現(xiàn)代小衛(wèi)星公用平臺(tái)的技術(shù)預(yù)先研究課題。1996年8月,實(shí)踐五號(hào)衛(wèi)星得到立項(xiàng)批復(fù),研制中應(yīng)用了現(xiàn)代小衛(wèi)星公用平臺(tái)預(yù)研成果,并于1999年成功發(fā)射入軌,由此開創(chuàng)了中國(guó)現(xiàn)代小衛(wèi)星研制的先河[1-2]。隨著小衛(wèi)星任務(wù)的增多,2001年5月,中國(guó)航天科技集團(tuán)和中國(guó)空間技術(shù)研究院聯(lián)合出資組建了航天東方紅衛(wèi)星有限公司,專門從事小衛(wèi)星研制,同年10月,原國(guó)家計(jì)委批準(zhǔn)并正式授牌公司“小衛(wèi)星及其應(yīng)用國(guó)家工程研究中心”。2008年10月,中國(guó)空間技術(shù)研究院、深圳航天科技創(chuàng)新研究院和哈爾濱工業(yè)大學(xué)共同組建了深圳航天東方紅海特衛(wèi)星有限公司,主要從事微納衛(wèi)星研制。

近年來(lái),小衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量大幅增長(zhǎng),已成為世界航天活動(dòng)高速發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力。2017年,全球發(fā)射1500 kg以下衛(wèi)星376顆,占發(fā)射總數(shù)的85.5%。2000年至2017年,我國(guó)總共發(fā)射290顆衛(wèi)星,其中180顆為小衛(wèi)星。截至2018年10月,中國(guó)空間技術(shù)研究院成功發(fā)射了95顆以實(shí)用型為主的小衛(wèi)星,其中,航天東方紅衛(wèi)星有限公司僅在2018年成功發(fā)射了21顆。目前,有80余顆小衛(wèi)星在軌運(yùn)行,超過(guò)我國(guó)在軌運(yùn)行衛(wèi)星總數(shù)的30%。

當(dāng)前,我國(guó)開展小衛(wèi)星研制的單位較多,如清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)等,但大多屬于實(shí)驗(yàn)層面。航天東方紅衛(wèi)星有限公司是使小衛(wèi)星研究在國(guó)內(nèi)最早形成產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；⑾盗谢?其研制的小衛(wèi)星在國(guó)民經(jīng)濟(jì)與國(guó)防建設(shè)中發(fā)揮了重要作用,代表了我國(guó)小衛(wèi)星發(fā)展主要潮流。本文以中國(guó)空間技術(shù)研究院為代表闡述了小衛(wèi)星的研制歷程,總結(jié)了我國(guó)現(xiàn)代小衛(wèi)星發(fā)展成就,分析了現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)特點(diǎn)及其應(yīng)用情況,并提出了我國(guó)小衛(wèi)星發(fā)展面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

1 現(xiàn)代小衛(wèi)星發(fā)展歷程

中國(guó)空間技術(shù)研究院現(xiàn)代小衛(wèi)星發(fā)展大體可以分為三個(gè)階段,即1995—2000年的起步階段,2001—2010年的發(fā)展階段,2011年以來(lái)的實(shí)用階段,如圖1所示。

圖1 中國(guó)空間技術(shù)研究院小衛(wèi)星年發(fā)展情況Fig.1 Annual development of CAST small satellite

1.1 起步階段(1995－2000年)

中國(guó)空間技術(shù)研究院在“八五”期間開展了小衛(wèi)星公用平臺(tái)的技術(shù)研究,提出了打破傳統(tǒng)衛(wèi)星設(shè)計(jì)中分系統(tǒng)的界限,整星集成化星務(wù)管理的概念,即通過(guò)在各分系統(tǒng)控制設(shè)備中推行嵌入式管理執(zhí)行單元(MEU),實(shí)現(xiàn)中心計(jì)算機(jī)與各分系統(tǒng)的信息連接,達(dá)到衛(wèi)星功能集成與分散控制的有機(jī)結(jié)合,從而實(shí)現(xiàn)全星統(tǒng)一資源、信息和任務(wù)管理[3-4]。同時(shí),在技術(shù)實(shí)現(xiàn)方面,組建了衛(wèi)星模擬電子系統(tǒng),開展了系統(tǒng)聯(lián)試,成果得到驗(yàn)證。

實(shí)踐五號(hào)(SJ-5)衛(wèi)星是我國(guó)第一顆真正意義上的小衛(wèi)星,主要用于空間環(huán)境探測(cè)和研究、空間流體科學(xué)實(shí)驗(yàn)、新型航天器先期技術(shù)演示等。1995年11月,以任新民工程總設(shè)計(jì)師為首的專家組通過(guò)競(jìng)標(biāo)選定中國(guó)空間技術(shù)研究院承擔(dān)衛(wèi)星研制任務(wù)。1999年5月10日,衛(wèi)星發(fā)射入軌,運(yùn)行至2000年2月,圓滿完成國(guó)家考核任務(wù)[5]。SJ-5衛(wèi)星構(gòu)型如圖2所示。

圖2 SJ-5衛(wèi)星Fig.2 SJ-5 satellite

SJ-5衛(wèi)星首次采用可擴(kuò)展公用平臺(tái)(即CAST968平臺(tái)),主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 SJ-5衛(wèi)星主要技術(shù)指標(biāo)Table 1 Main technical parameters of SJ-5 satellite

SJ-5衛(wèi)星取得了一系列科學(xué)和技術(shù)成果:①首次利用遙操作開展流體對(duì)流實(shí)驗(yàn)、獲得大量空間環(huán)境數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)了載人航天工程先期技術(shù)“固存與數(shù)傳”驗(yàn)證,見圖3;②建立了CAST968衛(wèi)星平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的集成化星務(wù)管理技術(shù),多模式對(duì)地、對(duì)日、對(duì)日慢旋、重力梯度穩(wěn)定等姿態(tài)控制,整星板式、分艙式結(jié)構(gòu)形式,三點(diǎn)帶式壓緊單火工品釋放太陽(yáng)翼機(jī)構(gòu);③國(guó)內(nèi)首次成功應(yīng)用USB測(cè)控體制、完成了工業(yè)級(jí)、商業(yè)級(jí)器件搭載試驗(yàn)等。

圖3 SJ-5衛(wèi)星流體力學(xué)試驗(yàn)圖像Fig.3 Fluid mechanics experiment on SJ-5 satellite

在SJ-5衛(wèi)星研制伊始,同步開展了多個(gè)小衛(wèi)星項(xiàng)目論證,如海洋水色衛(wèi)星、環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)小衛(wèi)星星座、亞太多邊合作小衛(wèi)星、實(shí)踐六號(hào)衛(wèi)星、試驗(yàn)衛(wèi)星二號(hào)小衛(wèi)星等,因此當(dāng)時(shí)有小衛(wèi)星“形勢(shì)無(wú)限好,關(guān)鍵看五號(hào)”的說(shuō)法。

1.2 發(fā)展階段(2001－2010年)

該階段中國(guó)空間技術(shù)研究院共發(fā)射21顆各類用途的小衛(wèi)星,主要特點(diǎn)是實(shí)體化運(yùn)營(yíng)、多平臺(tái)開發(fā)、多領(lǐng)域應(yīng)用。形成了航天東方紅衛(wèi)星有限公司、深圳航天東方紅海特衛(wèi)星有限公司南北協(xié)同發(fā)展的局面(圖4,圖5)。

圖4 航天東方紅衛(wèi)星有限公司外景Fig.4 DFH Satellite Co.,Ltd.

圖5 深圳航天東方紅海特衛(wèi)星有限公司外景Fig.5 Aerospace DFH Development Ltd.Shenzhen

中國(guó)空間技術(shù)研究院兩家專業(yè)小衛(wèi)星公司的成立,加速了衛(wèi)星新平臺(tái)開發(fā),如立足“九五”現(xiàn)代小衛(wèi)星預(yù)研成果研制了試驗(yàn)二號(hào)衛(wèi)星,開發(fā)了CAST2000高精度平臺(tái);立足微納衛(wèi)星技術(shù)研制了希望一號(hào)(XW-1)衛(wèi)星,開發(fā)了CAST100平臺(tái)。該階段衛(wèi)星發(fā)射情況如表2所示。

表2 中國(guó)空間技術(shù)研究院2001—2010年發(fā)射的典型小衛(wèi)星Table 2 Typical CAST small satellites launched from 2001 to 2010

1.3 實(shí)用階段(2011年至今)

截至2018年10月,該階段已發(fā)射73顆衛(wèi)星。主要特點(diǎn)是成系列發(fā)展、多組業(yè)務(wù)星投入應(yīng)用,衛(wèi)星應(yīng)用服務(wù)能力大幅提升。衛(wèi)星發(fā)射情況如表3所示。

表3 中國(guó)空間技術(shù)研究院2011年至今發(fā)射的典型小衛(wèi)星Table 3 Typical CAST small satellites launched from 2011 to present

續(xù) 表

2 現(xiàn)代小衛(wèi)星發(fā)展成就

2.1 構(gòu)建了國(guó)際一流小衛(wèi)星企業(yè)

航天東方紅衛(wèi)星有限公司是亞洲最大、國(guó)際上一流的小衛(wèi)星研制中心,具有完備的衛(wèi)星設(shè)計(jì)、總裝、測(cè)試與試驗(yàn)等研制能力。公司通過(guò)不斷完善科研生產(chǎn)管理體系和產(chǎn)品保證體系,目前已具備年出廠20～25顆標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)量小衛(wèi)星的能力。公司基礎(chǔ)設(shè)施體系包括小衛(wèi)星及其應(yīng)用國(guó)家工程研究中心、研發(fā)實(shí)驗(yàn)樓、國(guó)際項(xiàng)目設(shè)計(jì)中心和國(guó)際項(xiàng)目總裝測(cè)試中心,其中,國(guó)際項(xiàng)目設(shè)計(jì)中心位于北京昌平云集中心,總建筑面積1.1萬(wàn)平方米,用于國(guó)際項(xiàng)目培訓(xùn)、工程咨詢和聯(lián)合設(shè)計(jì)等工作。公司采用柔性化公用平臺(tái)的理念,按照應(yīng)用領(lǐng)域、承載能力、控制方式等要素,目前開發(fā)和形成了5類公用平臺(tái),如表4所示。

表4 衛(wèi)星平臺(tái)主要特點(diǎn)與性能Table 4 Characteristics and performance of small satellite buses

2.2 拓展了多項(xiàng)衛(wèi)星業(yè)務(wù)應(yīng)用領(lǐng)域

(1)中國(guó)空間技術(shù)研究院的小衛(wèi)星拓展了多個(gè)行業(yè)衛(wèi)星業(yè)務(wù)應(yīng)用,充分體現(xiàn)了“小衛(wèi)星、大作用”。

(2)研制發(fā)射我國(guó)首顆海洋水色衛(wèi)星(海洋一號(hào)),填補(bǔ)海洋遙感空白,支持了國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心業(yè)務(wù)開展[6-7]。

(3)研制發(fā)射我國(guó)第一代環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)星座(環(huán)境減災(zāi)一號(hào)),集光學(xué)與微波遙感一體,可實(shí)現(xiàn)全天候、多要素、快速遙感的能力,支持了減災(zāi)和環(huán)境業(yè)務(wù)開展。

(4)研制發(fā)射我國(guó)首個(gè)國(guó)際空間科學(xué)合作項(xiàng)目(探測(cè)雙星),與歐洲航天局星團(tuán)-Ⅱ(Cluster-Ⅱ)衛(wèi)星配合,聯(lián)合實(shí)現(xiàn)近地空間地磁場(chǎng)及其粒子運(yùn)動(dòng)研究,新發(fā)現(xiàn)多起地磁場(chǎng)特性或規(guī)律。

(5)研制發(fā)射我國(guó)首顆公益衛(wèi)星(希望一號(hào)),為青少年無(wú)線電愛(ài)好者提供科技交流平臺(tái)。

(6)研制發(fā)射我國(guó)首顆實(shí)時(shí)傳輸型立體測(cè)繪小衛(wèi)星(天繪一號(hào)),填補(bǔ)立體觀測(cè)空白。

(7)研制發(fā)射我國(guó)首顆出口遙感衛(wèi)星(委內(nèi)瑞拉遙感一號(hào)),開創(chuàng)國(guó)際商業(yè)遙感先河。

(8)研制發(fā)射我國(guó)首顆高分辨對(duì)地觀測(cè)重大專項(xiàng)衛(wèi)星(高分一號(hào)),大幅提升我國(guó)民用高分辨遙感數(shù)據(jù)源自給率。

(9)研制發(fā)射我國(guó)首顆空間高精度電磁測(cè)量衛(wèi)星(張衡一號(hào)),為空間電磁環(huán)境科學(xué)研究及地震預(yù)報(bào)等提供充足信息。

(10)研制發(fā)射我國(guó)空間分辨率最高商業(yè)遙感衛(wèi)星(高景一號(hào)),開拓了商業(yè)遙感市場(chǎng)。

(11)研制發(fā)射我國(guó)首顆月球中繼衛(wèi)星(嫦娥四號(hào)中繼星“鵲橋”),支撐了我國(guó)月球背面探月任務(wù)實(shí)現(xiàn)。

此外,開展了遙感、實(shí)踐、試驗(yàn)等一系列關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)與衛(wèi)星研制,不但進(jìn)行了大量科學(xué)試驗(yàn),為我國(guó)航天技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行了在軌演示驗(yàn)證,而且也增強(qiáng)了小衛(wèi)星在軌業(yè)務(wù)應(yīng)用能力。

2.3 引領(lǐng)了多項(xiàng)空間技術(shù)發(fā)展

(1)實(shí)踐五號(hào)衛(wèi)星設(shè)計(jì)了帶式壓緊、繩式聯(lián)動(dòng)、單火工品解鎖的輕型、高可靠太陽(yáng)翼壓緊釋放機(jī)構(gòu),已經(jīng)成為小衛(wèi)星太陽(yáng)翼機(jī)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。試驗(yàn)二號(hào)衛(wèi)星研發(fā)了記憶合金解鎖機(jī)構(gòu),成功應(yīng)用于太陽(yáng)翼解鎖,避免了高沖擊載荷產(chǎn)生 。

(2)工業(yè)級(jí)CAN器件成功應(yīng)用于星上總線通信接口設(shè)計(jì),目前已成為一系列小衛(wèi)星電子產(chǎn)品電路設(shè)計(jì)的主要接口器件。

(3)海洋一號(hào)衛(wèi)星采用機(jī)械制冷技術(shù)首次應(yīng)用海洋水色儀熱紅外譜段制冷,大大簡(jiǎn)化了衛(wèi)星設(shè)計(jì)方案。

(4)海洋一號(hào)衛(wèi)星開發(fā)了國(guó)產(chǎn)化DC/DC模塊,增強(qiáng)我國(guó)星上電源產(chǎn)品自主可控能力。

(5)應(yīng)用GPS信號(hào)進(jìn)行衛(wèi)星定位(海洋一號(hào)A星)與導(dǎo)航(海洋一號(hào)B星)。

(6)環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星采用光學(xué)與微波綜合遙感星座,通過(guò)大視場(chǎng)遙感設(shè)計(jì)和相位控制實(shí)現(xiàn)星座遙感圖像的無(wú)縫覆蓋遙感,擴(kuò)展了高時(shí)效遙感新概念。

(7)環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星首次實(shí)現(xiàn)我國(guó)5納米光譜分辨率的高光譜遙感,為精細(xì)地物遙感提供了手段;環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星星座中的HJ-1-C衛(wèi)星首次采用和驗(yàn)證了集中式體制的SAR,開辟了我國(guó)新型SAR技術(shù)體制。

(8)探測(cè)雙星、張衡一號(hào)衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了高靜電、高磁潔凈設(shè)計(jì),填補(bǔ)我國(guó)高靜電、高磁潔凈技術(shù)空白,為獲取高精度空間數(shù)據(jù)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

(9)實(shí)踐、遙感系列衛(wèi)星開展了星間鏈路通信試驗(yàn)與應(yīng)用,并通過(guò)星座鏈路實(shí)現(xiàn)控一星而控整個(gè)星座的能力。

2.4 取得多項(xiàng)國(guó)家重大獎(jiǎng)項(xiàng)

目前,航天東方紅衛(wèi)星有限公司已獲得國(guó)家科技進(jìn)步特等獎(jiǎng)1項(xiàng),國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)9項(xiàng);獲得國(guó)防科技進(jìn)步獎(jiǎng)17項(xiàng)。先后獲得國(guó)家發(fā)改委頒發(fā)的“杰出貢獻(xiàn)獎(jiǎng)”、人力資源和社會(huì)保障部、國(guó)資委授予的“中央企業(yè)先進(jìn)集體”等多項(xiàng)榮譽(yù)稱號(hào)。

3 現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)特點(diǎn)

3.1 先進(jìn)技術(shù)引領(lǐng)

大量航天新技術(shù),特別是急需在軌應(yīng)用的輕小型產(chǎn)品,催生小衛(wèi)星成為新技術(shù)應(yīng)用的主要途徑。新技術(shù)具有高性能、高風(fēng)險(xiǎn)、低成熟度等特點(diǎn),通過(guò)低成本、大數(shù)量的小衛(wèi)星飛行驗(yàn)證,有利于加快提升新技術(shù)成熟度,進(jìn)而促進(jìn)整個(gè)航天器事業(yè)的發(fā)展。如實(shí)踐五號(hào)衛(wèi)星率先提出以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為核心的整星星務(wù)管理設(shè)計(jì),海洋一號(hào)采用機(jī)械制冷對(duì)紅外探測(cè)器降溫、開發(fā)了分散供電的DC/DC電源變換模塊,實(shí)踐九號(hào)開展了在軌電推進(jìn)技術(shù)演示,高分一號(hào)國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)偏航定標(biāo)等,上述成果推廣應(yīng)用到后續(xù)多種大小衛(wèi)星上。

3.2 高集成度設(shè)計(jì)

現(xiàn)代小衛(wèi)星既要做小,又要做廉,就必須打破傳統(tǒng)體制約束,實(shí)施集成設(shè)計(jì)。如實(shí)踐五號(hào)衛(wèi)星通過(guò)開展星務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì),統(tǒng)一了星上計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體制,確定了上位機(jī)、下位機(jī)等概念與功能分配,實(shí)現(xiàn)了電子系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)。海洋一號(hào)A星受搭載發(fā)射質(zhì)量及經(jīng)費(fèi)限制,開發(fā)了適應(yīng)于小衛(wèi)星特點(diǎn)的小型化S頻段測(cè)控應(yīng)答機(jī)、姿軌控中央控制單元、配電器等,通過(guò)集成設(shè)計(jì),星上設(shè)備數(shù)量只有69件,遠(yuǎn)低于國(guó)內(nèi)同類衛(wèi)星上百件的規(guī)模[8]。環(huán)境減災(zāi)一號(hào)A/B將傳統(tǒng)數(shù)傳的處理器、壓縮編碼器、大容量存儲(chǔ)器等傳統(tǒng)衛(wèi)星十多臺(tái)單機(jī)集成到一臺(tái)數(shù)據(jù)處理器中,尤其將系統(tǒng)相容性設(shè)計(jì)驗(yàn)證控制在單機(jī)層次,大大降低了整星測(cè)試復(fù)雜性[9],其數(shù)據(jù)處理器如圖6所示。

圖6 環(huán)境減災(zāi)一號(hào)A/B數(shù)據(jù)處理器Fig.6 Data processor on HJ-1A/B

3.3 功能軟件化

現(xiàn)代小衛(wèi)星功能軟件化趨勢(shì)明顯,切合國(guó)際先進(jìn)衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展潮流。如海洋一號(hào)衛(wèi)星大量使用軟件技術(shù),實(shí)現(xiàn)了硬件低配置、軟件系統(tǒng)冗余的整星高可靠[10]。軟件典型功能設(shè)計(jì)如軟件時(shí)鐘設(shè)計(jì),通過(guò)程序?qū)π巧蠒r(shí)間進(jìn)行定期修訂,確保了普通時(shí)鐘晶振的時(shí)間高穩(wěn)定性;安時(shí)計(jì)的設(shè)計(jì),通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)蓄電池組的精細(xì)化管理,實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星高可靠運(yùn)行。在軌可維護(hù)方面,軟件可上注更新,實(shí)現(xiàn)功能重構(gòu),尤其適用于星上故障處理,如海洋一號(hào)A衛(wèi)星利用程序上注,成功解決了衛(wèi)星入軌初期紅外地球敏感器受太陽(yáng)干擾問(wèn)題。

3.4 星座設(shè)計(jì)與應(yīng)用

現(xiàn)代小衛(wèi)星“快、好、省”的特點(diǎn)為多星協(xié)同應(yīng)用奠定了基礎(chǔ),由此帶來(lái)星座設(shè)計(jì)的革命。至今各種用途的星座及相關(guān)技術(shù)不斷涌現(xiàn),如空間分布構(gòu)型、運(yùn)行穩(wěn)定性設(shè)計(jì)、星座維護(hù)與升級(jí)、發(fā)射策略等。環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)小衛(wèi)星星座由2顆光學(xué)星和1顆合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星組成,采用相同的回歸周期,可2天覆蓋全球[11-12]。環(huán)境減災(zāi)一號(hào)A/B光學(xué)衛(wèi)星采用同軌180°相位運(yùn)行策略,并通過(guò)衛(wèi)星面質(zhì)比設(shè)計(jì),確保星座已穩(wěn)定運(yùn)行超過(guò)10年。實(shí)踐九號(hào)A/B衛(wèi)星開展了高精度編隊(duì)演示驗(yàn)證,為干涉合成孔徑雷達(dá)(InSAR)衛(wèi)星在軌飛行奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。低軌通信“鴻雁”等星座也將以小衛(wèi)星為主體開展建設(shè)。

3.5 發(fā)射多樣化

為使小衛(wèi)星降低入軌成本,其發(fā)射策略主要包括低成本小運(yùn)載火箭發(fā)射、搭載發(fā)射、一箭多星發(fā)射、子母星入軌等。低成本小運(yùn)載火箭發(fā)射衛(wèi)星設(shè)計(jì)需要考慮適應(yīng)多種接口兼容性,包括動(dòng)力學(xué)環(huán)境、機(jī)械與電接口等;搭載發(fā)射需要考慮主星軌道的相容性及射頻相容性,必要時(shí)需采用規(guī)避設(shè)計(jì)策略及設(shè)計(jì)變軌能力;一箭多星發(fā)射需要考慮多星箭上安放、脫落插頭分離安全性、星箭分離安全性、衛(wèi)星加電及射頻開機(jī)策略等;子母星入軌是將子衛(wèi)星裝在母衛(wèi)星上,待主星與運(yùn)載火箭分離后,再實(shí)施子星分離,可以簡(jiǎn)化星箭接口復(fù)雜性,特別是有變軌需求時(shí),母星可帶子星變軌,尤其適用于微納衛(wèi)星發(fā)射入軌。此外,海上發(fā)射、空中發(fā)射、空間站釋放、旋轉(zhuǎn)發(fā)射等新技術(shù),為降低小衛(wèi)星進(jìn)入空間的成本提供了新途徑。

4 小衛(wèi)星發(fā)展機(jī)遇與挑戰(zhàn)

4.1 小衛(wèi)星發(fā)展機(jī)遇

1)小衛(wèi)星在全球覆蓋、高時(shí)效等應(yīng)用領(lǐng)域作用顯著

高分一號(hào)及業(yè)務(wù)星[13]、高分六號(hào)等衛(wèi)星,構(gòu)成了我國(guó)高時(shí)效的陸地中高分遙感衛(wèi)星系統(tǒng);“十三五”末,海洋一號(hào)C/D星組網(wǎng),將實(shí)現(xiàn)一天2次全球海洋觀測(cè);“十四五”期間,環(huán)境減災(zāi)二號(hào)4顆光學(xué)、4顆SAR衛(wèi)星組網(wǎng),將形成每天覆蓋全球一次的能力;鴻雁通信星座百星組網(wǎng),將開創(chuàng)我國(guó)低軌寬帶衛(wèi)星建設(shè)新局面。

2)小衛(wèi)星在技術(shù)試驗(yàn)及獨(dú)特功能上得到應(yīng)用

重力梯度小衛(wèi)星以無(wú)拖曳控制為主要特點(diǎn),用于地球重力場(chǎng)測(cè)量,即將投入研制和應(yīng)用,將進(jìn)一步拓展我國(guó)對(duì)地球科學(xué)及重力場(chǎng)變化研究,為各領(lǐng)域應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。一系列試驗(yàn)衛(wèi)星、微納衛(wèi)星星座等不斷開拓衛(wèi)星新應(yīng)用,為新器件、新設(shè)備、新設(shè)計(jì)等提供豐富的驗(yàn)證平臺(tái)。

3)小衛(wèi)星將成為商業(yè)衛(wèi)星的重要領(lǐng)域

小衛(wèi)星因其“快、好、省”的特點(diǎn)自然成為商業(yè)衛(wèi)星的主要途徑。以0.5 m分辨率為主的高景系列光學(xué)、SAR商業(yè)衛(wèi)星持續(xù)發(fā)射,形成星座可將時(shí)間分辨率逐步提高到小時(shí)級(jí),不斷提高商業(yè)市場(chǎng)數(shù)據(jù)供給能力。

4)小衛(wèi)星將成為航天科技教育與實(shí)踐的重要平臺(tái)

小衛(wèi)星數(shù)量多,且具有品種多樣性、實(shí)現(xiàn)多途徑、應(yīng)用多模式等,可為衛(wèi)星技術(shù)與航天科普教育提供很好的媒介平臺(tái),拉近大眾與衛(wèi)星技術(shù)的距離,進(jìn)而深化衛(wèi)星應(yīng)用的深度與廣度,助推航天產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

4.2 小衛(wèi)星發(fā)展挑戰(zhàn)

(1)小衛(wèi)星在國(guó)家發(fā)展的定位應(yīng)該進(jìn)一步明確。當(dāng)前,美國(guó)、俄羅斯、歐洲等政府均制定了明確的小衛(wèi)星發(fā)展政策和計(jì)劃,大力支持發(fā)展專一功能的小衛(wèi)星,增強(qiáng)系統(tǒng)彈性,單從項(xiàng)目數(shù)量上看,我國(guó)小衛(wèi)星與國(guó)際趨勢(shì)差距明顯。實(shí)現(xiàn)體系高精度、高效能,由單純的技術(shù)驅(qū)動(dòng)向兼顧業(yè)務(wù)應(yīng)用高費(fèi)效轉(zhuǎn)變是應(yīng)用型小衛(wèi)星的發(fā)展機(jī)遇,也是挑戰(zhàn)。

(2)小衛(wèi)星將促使衛(wèi)星設(shè)計(jì)理念、研制策略發(fā)生重大變化。空間技術(shù)走向市場(chǎng)是必然趨勢(shì),傳統(tǒng)“單星研制周期幾年、每年發(fā)射數(shù)十顆衛(wèi)星”的模式很難適應(yīng)有限設(shè)計(jì)壽命、數(shù)百星組網(wǎng)運(yùn)行的新需求,必須建立與之相匹配的批量生產(chǎn)、快速發(fā)射部署的設(shè)計(jì)理念與研制策略。包括多星設(shè)計(jì)規(guī)范與產(chǎn)品體系的統(tǒng)一、測(cè)試試驗(yàn)流程的優(yōu)化與協(xié)同、工裝及測(cè)試設(shè)備的集約配套、包裝與運(yùn)輸策略等。

(3)小衛(wèi)星空間管控策略與空間碎片管理要相適應(yīng)。衛(wèi)星數(shù)量的增多勢(shì)必帶來(lái)空間衛(wèi)星運(yùn)行環(huán)境質(zhì)的變化。隨著空間碎片不斷增加,如果不采取任何空間碎片主動(dòng)減緩和移除措施,未來(lái)在LEO區(qū)域?qū)⒖赡馨l(fā)生碎片鏈?zhǔn)阶矒粜?yīng)(Kessler災(zāi)難),近地空間將徹底不可用[14]。微納衛(wèi)星普遍不具備軌道調(diào)整能力,成千上萬(wàn)小、微、納衛(wèi)星的發(fā)射如果無(wú)序發(fā)射,勢(shì)必加速低軌衛(wèi)星運(yùn)行環(huán)境惡化,迫切需要國(guó)際性管控與國(guó)內(nèi)有序發(fā)展的緊密結(jié)合。

(4)商業(yè)化發(fā)射與測(cè)控政策還需進(jìn)一步明確。目前微小衛(wèi)星成本在持續(xù)降低,部分項(xiàng)目衛(wèi)星研制費(fèi)用低于運(yùn)載火箭研制費(fèi)用,一定程度上制約了微小衛(wèi)星的發(fā)展。國(guó)內(nèi)已出現(xiàn)大量衛(wèi)星商業(yè)測(cè)控公司,但是無(wú)純粹的商業(yè)發(fā)射場(chǎng)。海上發(fā)射可降低發(fā)射費(fèi)用,但發(fā)射的保障體系如何適應(yīng)商業(yè)化,運(yùn)載火箭、衛(wèi)星燃料的管控及運(yùn)輸標(biāo)準(zhǔn)等還缺乏一定的支撐和國(guó)際政策研究。

5 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)代小衛(wèi)星的發(fā)展立足于自主創(chuàng)新,小衛(wèi)星實(shí)踐證明,創(chuàng)新是小衛(wèi)星發(fā)展不竭的動(dòng)力,“快、好、省”的小衛(wèi)星建設(shè)不但順應(yīng)時(shí)代發(fā)展潮流,而且符合中國(guó)國(guó)情。

現(xiàn)代小衛(wèi)星促進(jìn)了衛(wèi)星的應(yīng)用,拉近了與大眾的距離。小衛(wèi)星發(fā)展改變了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)理念,需要全行業(yè)關(guān)注和投入,不同部門自身獨(dú)有的特點(diǎn)很容易引入新的衛(wèi)星設(shè)計(jì)理念,大范圍的小衛(wèi)星研制活動(dòng)有利于降低大眾對(duì)航天的認(rèn)知門檻,有利于航天產(chǎn)品的深化應(yīng)用,進(jìn)一步促進(jìn)航天技術(shù)的健康發(fā)展。