徐映霞(北京空间科技信息研究所)
微纳卫星一种新的发射方式
—空间站释放
徐映霞(北京空间科技信息研究所)
近两年来,一种使微纳卫星进入空间的新方法—空间站释放,呈现出迅速增长的应用趋势,受到越来越多的关注。相对于常见的作为主载荷的发射方式,空间站释放可降低发射时承受的振动和冲击载荷,减小微纳卫星受损的可能性;还可以在释放前进行外观以及功能和性能检查,确认微纳卫星状态,必要时进行一定的修补。
近十几年来,高可靠商业器件、小型化和材料等技术的快速发展,使得纳卫星取得了长足进步,特别是近几年适用于纳卫星的关键部组件研制完成,更加速了纳卫星的快速应用。从2012年开始,纳卫星呈现迅猛增长的趋势,纳卫星的目标也在教育用途的基础上,增加了多种科学和技术研究以及意义深远的用途,如对地观测、空间气候、空间态势感知等。许多小国家以纳卫星为敲门砖进入航天领域,实现卫星的首发突破。2014年,美国通过“国际空间站”释放形成“鸽群”对地观测纳卫星星座,实现了分辨率3~5m的区域连续观测。
纳卫星发射增长情况
但是进入空间的能力一直是这些微纳卫星低成本执行任务的障碍之一。通常,航天器从地面上的卫星发射场通过运载火箭送入预定轨道,这个费用是相当可观的。对于微纳卫星,特别是执行空间技术实验和验证任务的微纳卫星,根本无法独自承受进入空间的巨额费用,而是采用搭载发射的方式进入空间。但是搭载发射的机会是有限的,没有发射时间的独立性,成本也不够低廉,而且存在一系列技术和程序上的挑战。首先要选择适合的主载荷任务,得到主载荷用户的认可,因为这种搭载发射对主载荷的整个计划没有好处,还可能存在技术、进度和成本上的风险;其次,搭载载荷必须听从主载荷的日程和发射要求,提前提供搭载载荷的初步数据,有时需提前2~3年。而大多数微纳卫星的计划周期较短,无法提前给出。另外还要满足一些附加要求,发射环境条件往往也比较严酷。
近两年来涌现出一种新的发射方式,即由货运飞船将微纳卫星带入“国际空间站”,将“国际空间站”作为天基发射场,从空间“发射”。这种方法大大减少了发射费用,拓宽了空间站的应用范围,而且不存在上述限制,正在逐步受到关注。
美国“鸽群”纳卫星星座获得的地球图像
从“国际空间站”释放纳卫星的数量
空间站释放的特点
从空间站释放微纳卫星,首先需要通过货运飞船运到空间站的空间“发射场”,然后从空间站释放。货运飞船发射时,微纳卫星在飞船上可靠固定,并用吸振材料包裹保护,大大降低了发射时的振动和载荷,因而可略去抗力学环境的加强结构,节省质量和体积,更有效地利用资源。其次,微纳卫星到达空间站后,航天员进行安装天线、太阳电池翼等简单装配,降低发射环境对这些悬臂结构的损坏几率,并进行外观以及功能和性能的加电检查,确认卫星状态完好,必要时还可进行简单维修。另外,从空间站释放微纳卫星还有利于及时应对突发状况,降低应对成本。未来或许可以成为脱离低地球轨道(LEO)的一个跳板,进一步开拓新应用。
但是空间站释放也存在着一定的局限性,首先,轨道单一,目前所有释放的纳卫星均与空间站处于同一轨道;其次,存在轨道衰减快、卫星寿命短(一般不超过12个月)的弱点。
空间站释放的商业运营
美国N a n o R a c k s公司与美国航空航天局(N A S A)签订了空间法协议(S p a c e A c t Agreement),该公司一直为“国际空间站”上的美国国家实验室提供商业硬件和服务,也负责提供空间站“发射”服务。2013年,空间飞行公司(Spaceflight)与NanoRacks公司合作,共同提供“国际空间站”的微纳卫星释放服务。
NanoRacks公司和空间飞行公司为用户发射微纳卫星的平均准备时间(从商业合同签订到发射)为9个月,微纳卫星可通过“龙”(Dragon)飞船、“天鹅座”(Cygnus)、欧洲“自动转移飞行器”(ATV)和“H-2转移飞行器”(HTV)进入空间站。发射费用一般为8.6万美元/1U立方体卫星,这包括了除卫星建造之外的所有费用。卫星研制方需要提供包括图纸在内的卫星硬件详细资料,发射前6个月交付占位(placeholder)卫星硬件,提前2个月交付卫星,一般情况下到达空间站约1个月后开始释放。出于空间站安全考虑,卫星所用的电池需要进行批检或者直接采购NanoRacks公司获准使用的产品;用户还需自行申请无线电频率许可。
日本载人航天系统公司(JAMSS)载人航天系统部(MSSD)也为微纳卫星研发者提供空间站释放服务。在得到日本宇宙航天研究开发机构(JAXA)的认可后,卫星的整个研发过程需要遵守日本希望号实验舱(JEM)有效载荷适应手册(JPAH)的要求,接口兼容性和安全性需要由JAXA评审。日本载人航天系统公司还负责航天员和飞行控制人员的培训,使航天员和地面人员熟悉微纳卫星的释放硬件及其操作步骤。
“国际空间站”释放方案
实现空间站释放的技术需求
空间站释放的技术考虑主要有两个方面,一是需要制定释放策略,保证安全可靠;二是需要完成释放的硬件装置。
空间站释放策略主要从安全性的角度考虑,包括释放后微纳卫星可能对空间站产生的碰撞威胁、微纳卫星相互间的碰撞、对空间站的通信干扰,以及可能产生的空间碎片等。它与“一箭多星”发射的释放考虑有类似之处。“一箭多星”发射中,次载荷释放遇到的问题主要有3个:一是要避免次载荷与主载荷和运载火箭相互接触;二是避免次载荷之间相互接触;三是次载荷轨道衰减的管理。释放机动方案的设计是确保载荷安全地完成任务的关键,在已完成的“一箭多星”发射中得到了验证。所不同的是,“一箭多星”发射时,几十分钟内的释放数量最多可达到几十颗,而从空间站释放时,每次释放的数量仅为几颗,因此相对降低了释放策略的复杂程度。
已经进入空间站的释放硬件装置有3种:JAXA研制的小卫星轨道释放装置(J -SSOD)、美国N a n o R a c k s公司研制的立方体卫星释放器(NRCSD)和NASA约翰逊航天中心(JSC)开发的50~100千克级微卫星释放系统(Cyclops)。
小卫星轨道释放装置是最早在空间站使用的释放硬件,2012年10月首次使用。它由2个卫星安装容器、分离机构和电路盒组成。卫星安装容器为长方体形状,带弹簧预紧,2个容器最多可容纳6U立方体卫星;分离机构提供释放时的分离力,实现速度增量。
JAXA研制的小卫星轨道释放装置
美国NanoRacks公司研制的立方体卫星释放器
NASA约翰逊航天中心开发的微卫星释放系统
立方体卫星释放器的首次使用是2014年2月,其设计符合NASA“国际空间站”安全性要求,整体尺寸为130mm×175mm×840mm,为长方体管型结构,包括阳极化的铝板、基板组件、卫星安装面板和释放门。每个释放器最多可容纳1个6U立方体卫星,最多可安装8个释放器,同时容纳16个3U立方体卫星。释放器的内壁光滑,释放时卫星尽量不与释放器的内壁接触,保证卫星受到的阻力最小。
卫星释放系统适用于50~100千克级微卫星的释放,目前只使用过一次,即2014年11月将美国海军实验室的“专用廉价卫星”(Spinsat)释放到太空。卫星释放系统的设计也符合“国际空间站”安全性要求,尺寸约为127cm×61cm×7.6cm,寿命与“国际空间站”任务期相匹配。卫星释放系统与日本希望号实验舱气闸舱、“国际空间站”机械臂以及微卫星均有接口,对微纳卫星的体积包络也有一定限制。
最早从空间站释放卫星是在1995年,地球科学研究中心-1(GFZ-1)卫星由“进步”飞船带入和平号空间站,11天后航天员通过舱外活动释放到太空。这个直径21.5cm、质量20.63kg、带有60块激光回射器的无源球在轨工作了4年64天,获得的数据改善了地球重力场模型的精度和分辨率。
“国际空间站”首次释放卫星于2011年进行,目前有2种释放方式:航天员通过舱外活动手工释放和航天员或地面人员操控、通过机械方式从日本希望号实验舱气闸室释放(不需要航天员出舱)。前一种方式释放的微卫星不太受卫星形状、质量的限制,后一种方式释放的立方体纳卫星,需满足一定要求的100kg以下的微卫星。
要释放的微纳卫星首先由货运飞船带到“国际空间站”,航天员在日本希望号实验舱内将卫星安装在释放装置上,再将释放装置安装到多用途实验台(MPEP),多用途实验台与滑动台相连,由滑动台将多用途实验台转送到“国际空间站”外部,日本希望号实验舱上的远程操纵器系统(JEMRMS)抓住多用途实验台或卫星释放系统(对于卫星释放系统,也可由“国际空间站”的远程操纵器系统抓住释放)送到释放位置,调准方位后释放。需要时,空间站的远程操纵器系统(SSRMS)和“国际空间站”其他相机可进行视频监控。
“国际空间站”释放卫星的瞬间
空间站释放微纳卫星的范围正在扩大,并进一步开拓新应用
最初,空间站释放微纳卫星由航天员的舱外活动完成,一次只释放1颗微纳卫星。2012年日本的小卫星轨道释放器带入空间站后,首次使用机械方式实现了立方体卫星的释放,一次可释放多颗卫星。2014年首次完成了由立方体卫星构成的对地观测星座的释放,获得了从分辨率和重访周期2个角度评估较优的星座性能。2014年11月首次尝试释放了50~100kg的微卫星,进一步拓展了释放范围。
一些研究显示,目前还在探索利用空间站和货运飞船,在货运飞船交付物品后升高轨道释放小卫星的新方式,即使用Altius航天机械公司研制的舱门吊篮(HatchBasket)系统解决对微纳卫星体积限制较严、轨道单一以及在轨寿命较短的问题,为更多的微纳卫星进入太空提供机会。NASA正在进行此套系统对空间站的安全性影响评估,通过后才能获准在空间站应用。
空间站释放的相关安全性需求正在逐步完善
随着空间站释放微纳卫星应用的增多,对其可能给空间站安全带来的问题研究也在进行。“国际空间站”的安全性要求正在逐步完善中,这些安全问题包括:微纳卫星在空间站内的操作过程中可能存在的安全隐患,比如所使用的材料和器件、测试过程等;避免所释放微纳卫星相互之间和与空间站间碰撞,以及电磁干扰问题。
跟踪并有计划地开展空间站释放的相关技术研究,
为我国空间站的充分利用做好技术储备
空间站释放需要释放硬件和释放方案的支持,并需要对所释放卫星的接口做出界定,以提高释放硬件和软件的适用能力,降低成本。这些技术包括小卫星在轨释放装置、释放方位和时机、防止多颗卫星同时释放时相互碰撞,以及与空间站碰撞、防止与空间站通信干扰等。同步开展这些技术的研究,有利于在我国空间站建成并投入运行后实现空间站释放的功能,最大限度地利用空间站设施,多方位开展空间探索活动。
通过空间站释放功能发挥高校等科研机构的
研究能力,加速航天新技术研发
空间站释放功能的实现使航天工程成为一种经济可承担的工程,大大降低了准入门槛。这样,一方面解决了微纳卫星低成本进入太空的问题,为新技术提供真实环境的试验平台,有利于将复杂技术通过微纳卫星的形式逐项进行试验,获得第一手试验数据;另一方面,高校等科研机构可以低成本地加入航天工程活动,利用自身科研力量集中的优势,开展高精尖的科学技术研究,在真实环境中进行试验探索,有助于快速开发新技术,实现科技成果的应用与转化。
New Way To Launch Nano/Micro Satellite: Being Released From ISS