脑洞大开的小卫星技术

□ 展鹏飞

脑洞大开的小卫星技术

□ 展鹏飞

随着小卫星技术的发展，人们逐渐从它们身上找到了更多的用途，也发现了更多的问题。许多应用在大型卫星上的器件并不适合小卫星，它们或者体积太大，或者耗电太多，或者价钱太贵。而小卫星本身也逐渐承担起更加严肃、更加业务化的工作，因此对性能有了更高要求。

在体积、成本和应用之间，小卫星应当如何找到平衡呢？当然是通过新技术的发展和新器件的研发。在这里，我们就介绍最近新出现的一些脑洞大开的小卫星技术。

▲ 法拉第平台的发射前构型

▲ 法拉第的立方星载荷

▲ 法拉第任务的徽章

▲ 法拉第平台

法拉第先生，你该上天了

随着商业航天的兴起，参加卫星研制的企业和机构也越来越多。大家都在积极降低卫星器件的成本，让小卫星更便宜。这个理念是著名小卫星制造商萨里公司和一家叫做“在空间任务”的企业联合提出的。主要目的是向各种研究机构开放机会，萨里公司提供小卫星平台，在空间任务公司负责集成。所搭载的有效载荷最大可以达到50千克，最小可以是一块芯片。在空间任务公司说，这实际上是给开发者提供机会，更加频繁地测试自己研制的元器件。这样的搭载价钱也不贵，搭载一块芯片的飞行费用只有12000美元。

当然，这样的理念用现成的小卫星是很难实现的。因此两家企业合作启动了一个叫做“法拉第”的项目,这个名字当然来自著名电学家迈克尔·法拉第。这是一种下面大、上面小，有点像四方形基座的东西。四个斜坡就是太阳能电池，星敏感器部署在底面的角落里。升入太空后，四个斜坡可以打开，一方面为太阳电池提供更好的光照条件，另一方面也把内部搭载的载荷暴露出来。这样，载荷就可以接受辐射环境的考验，看看它们是不是能正常工作，还需要进行哪些改进。

我们之所以把“法拉第”叫做“东西”而不是卫星，是因为它确实不是卫星。实际上，它还可以用来搭载布署立方星，1U立方星的搭载发射价格是12万美元。

具体来说，“法拉第”可以搭载的载荷分为三大类。

一类叫做“小载荷”，最少1千克，最多50千克，折叠起来的尺寸不能超过50立方分米；平均功耗在50瓦，峰值功耗不能超过180瓦；每天的数据下行量不能超过150G字节。

▲ 法拉第的小载荷

▲ 法拉第的芯片级载荷

第二类就是立方星，但这种立方星并不会部署到轨道上，而是一直待在“法拉第”里面，实际上是为立方星研制者提供一个在轨测试的平台。每个立方星的重量不能超过1千克，平均功耗1瓦，峰值功耗5瓦。“法拉第”上一共有5个这样的搭载位，有些位置是特意为对地观测或者天文观测预留的。

至于专门测试芯片的是第三类，叫做“毫微微”。在“法拉第”上一共有5个“毫微微”搭载位置，单个位置的重量限制是75克，尺寸限制是88.9×69.8毫米，平均功耗0.1瓦，峰值功率限制0.5瓦，测试立方星主板什么的完全可以满足。

按照萨里公司提供的说法，单个“法拉第”在凑足搭载客户之后，要用6个月的时间完成所有研制工作，发射入轨之后可以工作5年。根据目前的计划，第一个“法拉第”将在2019年发射，然后的两年每年发射一次。

还能再小一点吗？

最近，一家叫做约克航天的公司上了新闻。它虽然叫“YORK”,可是既不在纽约市，也不在纽约州，更不在英国的那个约克郡，而是在美国的丹佛市。

约克公司推出了一种叫做S级的卫星平台，自重65千克，能够承载高达85千克的载荷，供电功率100瓦。从姿态控制精度来看，可以用作对地观测卫星。它的特点并不在于这里，而是开发快。公司号称，一天之内就能完成有效载荷与平台的集成工作。现有的生产设施可以达到年产200颗卫星的水平。平台的价格只要65万～16万美元。之所以有这样的价格范围，是因为商家提供了从基本配置到豪华配置的选择，比如增加星敏感器、专用的有效载荷飞行计算机、专用的有效载荷存储器和发射机、更多太阳能电池（最高3000瓦），甚至可以配装超高速激光下行链路和场效应电推力器。

S级卫星平台的一个卖点，是可以采用两类先进的推力器。这也是它实现较高姿态控制精度的要诀。约克公司为此选择了两个合作伙伴，一家是位于美国本土的Accion系统公司，一家是位于奥地利的Enpulsion公司。

这两家企业的电推力器各有特色，但都做到了两点：大幅度降低了设备的体积、复杂度和功耗；可以单独使用，也可以拼接成推力器阵列，实现了模块化。

Accion系统公司的产品叫做“瓦片状液体电喷射器”，其实看上去，它更像是地砖。

按照这家公司的说法，“瓦片”系统中没有传统电推力器所需要的燃料罐、泵、阀门、有毒推进剂、外置阴极和离子化室，最基本的单位就是一个焊接在电路板上的方块而已。方块的上方是网状的平面，推力就从这里产生。

▲ Accion系统公司展示“瓦片”推力器

哈里斯要捞过界了！

小卫星市场不但吸引着创业公司，也引来了此前不搞整星的哈里斯公司。这可不是什么小企业，而是世界知名的军事通信巨头。这家企业进入小卫星市场，带来的可能是摧枯拉朽的效应。

在航天领域，哈里斯原本只从事地面卫星站的研制。但是从新一代铱星开始，哈里斯也进入了星上器件的研制领域。哈里斯一方面加强自主研发，另一方面收购了从事遥感器研制的Exelis公司。如今，哈里斯已经是世界上最大的搭载有效载荷制造商。

▲ 铱星上贴满了白色天线的白色梯形台状设备就是APPSTAR

如果我们观察新一代铱星的外观，会发现在对地面上有两套天线。其中一套是工作在L频段的主天线，呈正方形。在它的前面，有一个白色的梯形台，上面装满了圆形的天线，形成了阵面。这就是哈里斯公司研制的APPSTAR载荷。这是一种所谓的软件无线电设备，它打破了通信和雷达之间的界限——也就是说，用某种软件可以把它当做通信设备使用；换一种软件，它就成了雷达。作为通信设备，它也可以满足不同的需求、服务于不同的对象。

根据哈里斯公司的介绍，APPSTAR有三大类用途：跟踪、通信和遥感。作为跟踪用途，它可以用来跟踪航船、飞机和其他信号源；作为遥感，它可以实现合成孔径雷达、可见光/红外、激光雷达功能，还可以用于气象观测；作为通信，它可以用于宽带、窄带和保密通信。

根据实际测试，如果软件编制到位，只要不超过15秒的切换过程，它就可以变成另一种设备。其实，美国早在10多年前研制成功的F-22战斗机上就实现了这种功能——机载雷达既可以作为雷达，也可以作为通信天线，还可以用来执行电子侦察和电子对抗任务。在目前的铱星上，APPSTAR为两家商业企业服务，提供飞机和航船位置监视功能。

▲ 哈里斯搭载于新一代铱星上的APPSTAR用途很广

新一代铱星投入使用后，在商业上取得了很大成功。其中包括APPSTAR。那么除了为别人提供载荷，哈里斯能不能自己搞卫星呢？在这个想法的推动下，哈里斯公司在航天与情报分公司下面成立了一个新的部门，叫做卫星解决方案部。进一步推出了全面的小卫星有效载荷解决方案，其中包括多种可展开天线、SPACEVIEW成像系统和一种叫做HYPERCUBE的光学遥感卫星。SPACEVIEW成像系统号称能用0.2米的孔径实现1米的分辨率和8个频段的光谱分辨率，而HYPERCUBE把一套超光谱成像仪装进了6U的立方星里。不过在哈里斯公司看来，立方星还是太小，不足以实现高端用户的目标。他们正在研制一种不超过100千克的新卫星平台。

除了卫星和载荷，哈里斯并没有放松传统的卫星地面设备研制业务，其中不但包括便携式地面站，还有新开发的数据挖掘系统。按照哈里斯公司的说法，这是一系列“全套解决方案”。

▲ Dellingr卫星想象图

▲ 正在接受环境测试的Dellingr卫星

可靠性还是大问题

在诸多脑洞之下，是小卫星技术的迅速成长。它们已经不再仅仅是学生拿来练手的教具，也不再仅仅是技术开发的小白鼠，正在向着业务运行卫星的方向前进。但是横亘在小卫星业务化应用前面的，是“可靠性”这个拦路虎。考虑到宇航系统的复杂性和高要求，脑洞和可靠性往往是一对矛盾。对此，美国宇航局深有感触，一些负责人说，如果小卫星的可靠性不提高，是不可能进入正式业务的。

传统学生小卫星或者科研小卫星都是搭载发射的，为了凑发射机会，经常会放弃某些测试来赶进度，如果卫星坏了，再发射一次就好。

这其中的问题在于：小卫星虽然便宜，但科学机会不见得便宜。假如用大型火星探测器携带一些小卫星来到火星轨道上，然后放出小卫星实施某些科学任务。这个时候，如果小卫星忽然坏了，那么损失掉的不仅仅是这颗便宜的小卫星，更是从地球到火星的两年一次飞行机会、好几个月的飞行时间和运载火箭的运力。某些绕地球运行的星座也面临着同样的问题：小卫星虽然便宜，但是如果因为卫星故障导致业务中断，损失就大了。

因为小卫星很便宜，所以往往倾向于采用所谓的商业元器件。但是这些元器件往往不靠谱。NASA戈达德航天中心的Dellingr卫星最近就遇到了这类问题。这颗卫星曾经被叫做“辐射带衰减实验”卫星，是一颗6U立方星，后来改用这位叫做Dellingr的北欧神话人物命名。美国宇航局希望用这颗卫星来探索一种低成本的空间环境研究手段。所以，戈达德中心的工作人员打算和其他小卫星团队一样，用商业器件来构造这颗鞋盒子大小的卫星。

然而事实却给他们上了一课。买来的元器件拆包之后根本不能用。经过测试发现，这种器件只要超过某个温度范围就罢工了。还有一些器件货不对板。总之问题很多。所以，团队紧赶慢赶，才让Dellingr赶上了8月14日的发射。

这些问题也揭示了，为什么很多小卫星一上天就罢工了。在正规卫星研制过程中，元器件的质量控制流程要严格得多，卫星制造的高成本很大程度上也是这样来的。

当然，不能因为这样的问题，就放弃降低卫星成本的努力。所以，美国宇航局新近成立了一个“小型航天器可视化研究所”，致力于解决小卫星可靠性的问题。研究所维护着一个叫做“现役在轨宇航器件”的数据库，列出了已经经过在轨卫星验证的器件，供开发者们挑选最合适自己任务的器件。当然，这个数据库并不公开，想要的人必须向NASA提出申请，批准之后才可以拿到。

责任编辑：夏丹