“革新技術驗證衛(wèi)星計劃”首組衛(wèi)星及其驗證任務

王存恩（北京空間科技信息研究所）

1 引言

2019年1月18日9：50（東京時間），日本宇宙航空研究開發(fā)機構（JAXA）用艾普斯龍-4火箭把“革新技術驗證衛(wèi)星計劃”首發(fā)的7顆衛(wèi)星—革新技術驗證衛(wèi)星-1（RAPIS-1）、3顆搭載發(fā)射的微衛(wèi)星和3顆立方體衛(wèi)星送入預定軌道，這也是日本技術驗證系列星的第7組衛(wèi)星。

日本重視并采用民用技術開發(fā)的元器件在航天領域的應用。2002－2012年，已發(fā)射了6顆有代表性的技術驗證衛(wèi)星：技術性能驗證衛(wèi)星-1（MDS-1）、下一代不載人空間實驗系統(tǒng)（USERS）、微實驗室衛(wèi)星 -1（μ-Lab Sat-1）、“創(chuàng)新小衛(wèi)星”（INDES）、小型驗證衛(wèi)星-1和4（SDS-1和4），用其驗證了18項日本國內領先國際水平的新技術，并確認都能在航天領域應用；執(zhí)行24項飛行任務，均獲成功；驗證了采用領先國際水平技術開發(fā)的41種飛行任務儀器均能在航天器上使用；驗證了63種采用國際領先水平的民用技術開發(fā)的元器件和儀器，確認有62種能在航天領域應用。

如果把確認可在航天領域應用的技術、元器件和儀器，再搭載在技術試驗衛(wèi)星上做進一步驗證，就可推廣到各類航天器上使用。實踐證明這樣做不僅加快了航天技術發(fā)展，縮小了航天技術與領先于世界水平的民用技術、航天元器件和儀器與民用元器件和儀器間的差別，還加快了航天元器件微小型化的進程，大幅度降低了開發(fā)成本，提高了日本航天技術和產品在國際市場上的競爭力，產生了明顯的社會效益和較高的經濟效益。基于此，日本政府在2015年1月9日公布的《航天開發(fā)基本計劃》中決定：2017年重啟技術驗證衛(wèi)星計劃，而且以后每兩年都要發(fā)射1顆“革新技術驗證衛(wèi)星”。革新技術驗證衛(wèi)星-1是日本“革新技術驗證衛(wèi)星計劃”的首組衛(wèi)星。

2 衛(wèi)星計劃概況

“革新技術驗證衛(wèi)星計劃”既繼承了前6顆技術驗證衛(wèi)星的設計、研制、發(fā)射和在軌運行管理經驗，也大膽地采用了研究機構、民間企業(yè)、大學，乃至風險企業(yè)等開發(fā)微衛(wèi)星等所積累的新知識、新技術、新工藝、新方法，全部在規(guī)定的時域內完成既定任務，確定了主衛(wèi)星——革新技術驗證衛(wèi)星-1驗證的關鍵元器件、部件和搭載發(fā)射的微衛(wèi)星和立方體衛(wèi)星要驗證的技術。

計劃的目的

“革新技術驗證衛(wèi)星計劃”的三個目的是：

1）通過執(zhí)行“革新技術驗證衛(wèi)星計劃”，在太空實驗和驗證航天器所需的各項關鍵技術，確保國家航天技術持續(xù)發(fā)展，鞏固支撐航天發(fā)展所需的關鍵技術，增強產業(yè)競爭力，達到增強衛(wèi)星產業(yè)在國際市場上競爭力的目的。

2）吸引民間企業(yè)等主動按照新標準參與航天開發(fā)，政府定期為民間企業(yè)和大學等研究機構，乃至風險企業(yè)提供搭載發(fā)射機會，促進達到國際領先水平的民用技術及采用這些技術開發(fā)的元器件在航天領域的應用；同時要求參與航天開發(fā)的企業(yè)，特別是風險企業(yè)，按照新標準參與開發(fā)，做到取有豐富航天開發(fā)經驗企業(yè)之長，補己之短，互相提攜，揚長避短，共同前進，達到不斷創(chuàng)新和持續(xù)發(fā)展的目的。

3）確保向開發(fā)者提供足夠的技術支持，以及搭載驗證有效載荷的機會，促進風險企業(yè)下決心致力于航天產業(yè)開發(fā)與經營，培育出更多致力于航天事業(yè)的優(yōu)秀人才。

計劃實現的目標

“革新技術驗證衛(wèi)星計劃”要實現兩大目標：

1）準確地掌握航天高技術未來發(fā)展趨勢，創(chuàng)造出能與國家和產業(yè)界研發(fā)目標相對應的、新應用領域所需的飛行任務儀器和在國際航天市場上有競爭力的系統(tǒng)/分系統(tǒng)，及其相關的理念和技術，并逐一在軌驗證。

2）優(yōu)先致力于風險性大，有望取得重大成果，有利于國家航天技術快速發(fā)展，使國家航天產品在日益激烈的國際市場競爭中有較強競爭力的“革新技術”，并在軌驗證。

3 “革新技術驗證衛(wèi)星計劃”首發(fā)星

“革新技術驗證衛(wèi)星計劃”的首發(fā)7顆衛(wèi)星由主衛(wèi)星、3顆微衛(wèi)星和3顆立方體衛(wèi)星組成。

1）主衛(wèi)星。革新技術驗證衛(wèi)星-1由“革新技術驗證衛(wèi)星計劃”總負責單位日本宇宙航空研究開發(fā)機構設計，借用風險企業(yè)—空間加速公司（Accel Space）等力量開發(fā)的一顆質量為200kg的小衛(wèi)星，計劃在軌驗證1種元器件和6種部件的功能和性能。其中，1種元器件為現場可編程門陣列（FPGA）；6種部件為：X頻段下行鏈路、綠色環(huán)保推進劑、粒子能源分光計、革新的地球敏感器和星跟蹤器（DLAS）、超輕型太陽電池翼（TMSAP）和超小型、低能耗GNSS接收機。

2）微衛(wèi)星。共3顆衛(wèi)星，分別是慶應大學、東北大學和ALE公司設計和研制的“微龍”（MicroDragon)衛(wèi)星、“歡騰”衛(wèi)星（RISESAT）和人造流星雨演示-1（ALE-1）衛(wèi)星。用這3顆衛(wèi)星開展衛(wèi)星開發(fā)教育拓展、實現高分辨率光譜攝像和放射人工流星等相關活動，具體共驗證9項技術。

3）立方體衛(wèi)星。共3顆衛(wèi)星，分別是東京工業(yè)大學、九州工業(yè)大學和日本大學設計和研制的折紙衛(wèi)星-1（OrigamiSat-1）、“月球探測技術驗證”（Aoba VELOX-IV）衛(wèi)星和“下一代無線電愛好者衛(wèi)星”（NEXUS，也稱“連接”衛(wèi)星）。計劃用這3顆衛(wèi)星進行包括大型結構體展開技術、觀測地球外緣超高層大氣發(fā)光現象和用業(yè)余無線電愛好者衛(wèi)星進行通信實驗在內的11項技術驗證。

革新技術驗證衛(wèi)星―1

（1）衛(wèi)星概況

革新技術驗證衛(wèi)星-1由彼此獨立設計的公用艙和有效載荷艙兩部分組成，采用三軸控制，不僅要研制高精度姿態(tài)控制，還要研制高精度軌道控制，太陽電池翼對準太陽、有效載荷儀器對準地面控制，確保能提供一個良好的太空實驗環(huán)境，所以，必須確保衛(wèi)星按設計要求完成各項實驗和驗證計劃。有效載荷艙內搭載了以公開招募方式選定的7種部件和儀器，在軌按驗證計劃分別對這7種部件和儀器進行驗證。

革新技術驗證衛(wèi)星―1的主要性能和參數

（2）在軌驗證和評價的項目明細

在軌1年時間對7種元部件和儀器進行驗證和評價。

1）革新的現場可編程門陣列。它是以日本電氣公司申請的最新專利《金屬原子開關（納橋）之工作原理》為基礎、采用革新技術研發(fā)的革新FPGA（NBFPGA）元件，其主要特點是抗輻照能力極強，不需配備一邊進行改寫，一邊存儲回路的新型存儲器。以往的FPGA只要宇宙射線一照射就會產生誤動作，而這種金屬“納橋”原子開關本身的抗輻照能力極強，不易因輻照出現軟件差錯（其出錯概率還不到傳統(tǒng)FPGA的1/100）。與傳統(tǒng)的FPGA的相比，這種NBFPGA還具備可大幅度地降低功耗和實現小型化等優(yōu)勢。在軌驗證這種新型NBFPGA不單單是要確認其能經受住太空環(huán)境考驗，更重要的是使其能在日本研制的各類技術試驗衛(wèi)星上選用，使國際航天界都了解并選用，為NBFPGA早日進入并在國際航天市場占有大份額做準備。

革新的現場可編程門陣列的外觀圖

慶應大學等研制的X頻段快速通信機和X頻段中增益天線的外觀圖

采用環(huán)保推進劑的推進系統(tǒng)的外觀

2）傳輸速率為2～3Gbit/s的X頻段下行通信鏈路。用X頻段快速通信機（HXTX）以及與之配套的X頻段中增益天線(XMGA)構成的下行鏈路進行通信實驗，這種鏈路的主要特點是：質量輕（整套設備還不到7kg），抗強降雨能力強，耗能低，頻率利用率極高且售價低，通過在軌確認其傳輸速率為2～3Gbit/s的X頻段下行通信鏈路的通信能力很強，能把在繞地球軌道運行衛(wèi)星搭載相機等拍攝的圖像和獲取的各種數據信息以當今世界上最快的速度（2～3Gbit/s）傳送到地面接收系統(tǒng)。

3）采用綠色推進劑的環(huán)保推進系統(tǒng)。采用低毒的綠色推進劑、適于小衛(wèi)星用的新型環(huán)保推進系統(tǒng)（GPRCS）是宇宙航空研究開發(fā)機構研制的，也是經濟產業(yè)省“空間環(huán)境可靠性驗證系統(tǒng)”（SERVIS）所支持的驗證系統(tǒng)。它有4個特點：①環(huán)保，可操作性強，能大幅度提高系統(tǒng)推力和處理能力，有廣闊的應用前景；②實現低成本：可選用市場上采購、低售價和高品質的材料，不僅能確保推進系統(tǒng)可靠性，還可實現低成本；③推進劑的凝固點很低，可有效地降低功耗；④采用的是高密度、高比沖的硝酸羥胺（HAN）系統(tǒng)的推進劑，可大幅度地提高系統(tǒng)應用范圍。

4）粒子能源分光計。航天系統(tǒng)開發(fā)利用推進機構提供的粒子能源分光計（SPM）是用來測量向太空所排放放射性粒子用的裝置，它形狀小、質量輕（還不到1kg）、開發(fā)成本低、交貨期短。經過星上實驗和驗證確認，它既能檢測出太空的放射性粒子，也能測出這種粒子能源分光計較以往的粒子能源分光計不僅現狀小，質量輕，而且測量精度非常高，還能贏得用戶青睞，會為盡快打入國際市場做好鋪墊。

5）革新的地球敏感器和星跟蹤器。東京工業(yè)大學開發(fā)的適用于微小衛(wèi)星用的姿態(tài)測量用地球敏感器和星跟蹤器（DLAS）的主要特點是：采用了簡單、易操作的深層學習型人工智能（AI）技術，不僅設計和加工工藝達到國際領先水平，且對技術擁有知識產權，加之選用了國內知名半導體和光學廠家定點小批量生產，產品均采用最新型的高可靠性民用部件，從而大幅度降低了造價；兩種敏感器上還配備了自主開發(fā)、利用簡單的人工智能技術、可簡便操控的觀測用相機，用它不僅能對衛(wèi)星軌道“邊緣”圖像，以及整個觀測范圍內的土地利用和植被分布情況等進行辨識，還能利用獲取的辨識數據來驗證全新的三軸姿態(tài)估算法；更重要的是這兩種敏感器還適用于微衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的測量，因此，市場前景廣闊。

6）輕型撓性太陽電池翼。革新技術驗證衛(wèi)星-1上搭載了由宇宙航空研究開發(fā)機構研制的3接撓性薄膜太陽電池翼（TMSAP），它由3接薄膜太陽電池單元、構架式帆板、展開驅動機構和保持與釋放機構組成。與傳統(tǒng)的剛性太陽電池翼相比，這種輕型撓性太陽電池翼不僅質量輕（是傳統(tǒng)的剛性太陽電池翼的1/3）、輸出質量比達150W/kg、能量轉換效率高（大于30%），而且抗撓性震動能力極強。革新技術驗證衛(wèi)星-1配備了由5枚太陽電池板組成的這種撓性薄膜太陽電池翼，衛(wèi)星入軌后電池翼順利展開并提供了所需的電能。

7）超小型、低能耗GNSS接收機。該接收機是中部大學以最新型車載GNSS接收機為基礎研制，接收機與天線實現一體化的超小型星載GNSS接收機，整個接收機只有一枚郵票大小，既省電，又廉價。初始運行證明了這種接收機確實經受住了太空環(huán)境考驗，為加快進入國際市場奠定了基礎。

地球敏感器和星跟蹤器的外觀圖

中部大學研制的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（GNSS）接收機的外觀圖

微衛(wèi)星

“革新技術驗證計劃”首次搭載發(fā)射3顆微衛(wèi)星，分別是慶應大學、東北大學和ALE公司設計和研制的“微龍”衛(wèi)星、“歡騰”衛(wèi)星和人造流星雨演示-1衛(wèi)星。

（1）“微龍”衛(wèi)星

慶應大學設計和研制的“微龍”衛(wèi)星是執(zhí)行地球觀測任務的。名義上說是支持拓展新興力量國家開展航天教育活動，其實是通過推動這些國家的衛(wèi)星開發(fā)與應用擴大應用需求，吸引這些國家與日本開展合作，拓展日本海外衛(wèi)星應用市場。

重點驗證實驗4項技術：①以遙感方式獲取海洋海色信息；②采用偏光遙感手段觀測并獲取太空浮游粉塵信息；③驗證東京大學等研制、在軌運行的“恰好”等4顆超小型遙感衛(wèi)星公用艙技術，以及4顆星各自技術改進的穩(wěn)妥性；④測定并掌握器件上涂覆的防帶電專用膜是否會出現性能惡化現象。

（2）“歡騰”衛(wèi)星

東北大學設計和研制的“歡騰”衛(wèi)星是一顆高分辨率光譜攝像衛(wèi)星，用于確立高分辨率光譜攝像、開拓按照新標準開發(fā)的地球環(huán)境測量技術，并將這項技術用于農林、水產和礦業(yè)領域，達到拓展日本海外衛(wèi)星應用市場之目的。在軌驗證兩項技術： ①用高分辨率多光譜攝像機（HPT）進行大氣環(huán)境觀測技術；②驗證微衛(wèi)星公用艙技術，確認開發(fā)的衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)是否滿足設計要求。

（3）ALE―1衛(wèi)星

ALE公司設計和研制的ALE-1衛(wèi)星是驗證用人造流星生成裝置制造、用衛(wèi)星釋放人造流星的可能性，確認類似這種娛樂性活動的市場前景。這次在軌驗證3項技術：

1）搞清人造流星的主要組成元素。明確釋放人造流星之源是人造衛(wèi)星，明確人造流星的組成元素，驗證能否在指定時間、從指定地點、按要求角度釋放人造流星等帶有挑戰(zhàn)性的技術，觀測人造流星進入大氣層的整個過程，調查觀光人群對這一活動是否感興趣，調研用人造衛(wèi)星釋放人造流星的市場前景。

2）掌握釋放技術。通過釋放活動掌握釋放人造流星技術，搞清高層大氣成分、大氣密度和風速等對釋放人造流星的影響，驗證釋放人造流星和地面發(fā)生的事件、與各種演奏活動等結合起來能否達到促進觀光事業(yè)發(fā)展的效果。

3）掌握人造流星再入大氣層后的軌道變化及其控制技術，增長與理學和工學相關的知識，為拓展新的航天應用做貢獻。

革新技術驗證計劃搭載發(fā)射的微衛(wèi)星的主要性能參數

立方體衛(wèi)星

“革新技術驗證衛(wèi)星計劃”首次發(fā)射還搭載了3顆立方體衛(wèi)星，分別是東京工業(yè)大學、九州工業(yè)大學和日本大學設計、研制的折紙-1衛(wèi)星、“月球探測技術驗證”衛(wèi)星和“下一代無線電愛好者衛(wèi)星”。

（1）折紙-1衛(wèi)星

該衛(wèi)星由東京工業(yè)大學設計和研制，是3U立方體衛(wèi)星。在軌實驗和驗證在太空這一特殊環(huán)境下的3種技術：①由伸展桿和復合膜結構組成的“多功能展開膜結構”等相關技術；②尺寸大小為2U+1U的“實驗衛(wèi)星平臺”技術；③下一代業(yè)余無線電愛好者衛(wèi)星的天線技術。

（2）“月球探測驗證”衛(wèi)星

該衛(wèi)星由九州工業(yè)大學設計和研制，是一顆驗證月球探測技術衛(wèi)星，不僅要利用搭載的相機拍攝月球水平線輝光，還計劃實驗和驗證3項技術：①脈沖等離子推力器（PPT）的力矩阻尼技術；②用脈沖等離子推力器進行姿態(tài)和軌道控制技術；③用高靈敏度相機拍攝地球邊緣地帶超高層大氣的發(fā)光現象等技術。

（3）“下一代無線電愛好者衛(wèi)星”

該衛(wèi)星由日本大學設計和開發(fā)，在軌主要驗證下一代業(yè)余無線電愛好者衛(wèi)星所需的4項技術：①快速通信技術；②對相機進行遙操作技術；③開啟業(yè)余無線電愛好者專家開發(fā)立方體衛(wèi)星的技術；④促進衛(wèi)星通信技術以及星載元件、衛(wèi)星通信用地面儀器，以及與衛(wèi)星相關聯產業(yè)技術發(fā)展和實現產業(yè)化。

"革新技術驗證計劃"搭載發(fā)射的立方體衛(wèi)星的主要性能參數

4 結束語

艾普斯龍-4火箭發(fā)射的“革新技術試驗衛(wèi)星計劃”的首發(fā)7顆衛(wèi)星按設計要求在火箭發(fā)射后51min55s分別進入預定軌道，已進入對7種關鍵部件和20項領先國際水平的技術進行驗證階段，取得了階段性成果，對推進先進的民用技術和領先國際水平、低成本的民用元器件在航天領域應用將發(fā)揮重要作用。

日本政府2015年1月制定的《航天開發(fā)基本計劃》規(guī)定：每兩年就發(fā)射一次革新的技術試驗衛(wèi)星，目的是通過不斷地采用領先于國際水平的民用技術和采用該技術開發(fā)的元部件提高航天所需關鍵基礎部件的可靠性，并確保穩(wěn)定供應。就在宇宙航空研究開發(fā)機構完成革新技術驗證衛(wèi)星計劃首發(fā)7星系統(tǒng)聯試、即將進入發(fā)射陣地前，于2018年12月正式啟動了革新技術驗證衛(wèi)星-2計劃，明確了計劃的系統(tǒng)基本結構，并確定了擬搭載實驗和驗證的元部件、儀器和技術等。革新技術驗證衛(wèi)星-2計劃由9顆衛(wèi)星組成，包括兩顆質量為100kg級小型衛(wèi)星、3顆質量為50kg級的微衛(wèi)星和4顆1～3U級的立方體衛(wèi)星（最大體積不超過6U）。衛(wèi)星設計制作者和驗證元部件提供者也基本確定。