從大衛星到納衛星

目前，世界上的人造地球衛星正朝著越來越大和越來越小的兩個方向發展，即一方面研制綜合型高功率的大型衛星，另一方面研制重量輕微型化的小型衛星。人們往往對大衛星比較關注，殊不知小衛星也有其不可替代的獨特優勢。

小衛量的突出優勢

從人造地球衛星的發展史來說，研制小衛星并不是新生事物。從1957年開始升空的世界上第一批人造衛星均屬于小衛星。后來隨著衛星應用需求的擴大、運載火箭發射能力的提高以及冷戰時期軍用預算經費的增加，使大型衛星在20世紀80年代中期之前成為衛星事業發展的主流。與此同時，大型衛星技術復雜、研制周期較長、研發與制造費用高、風險性大等弱點也逐漸顯露出來。這種情況，隨著冷戰結束、軍事預算減削和高新技術的進步，尤其是新材料、微電子、微機電、高效能源和計算機、仿真等技術的飛速發展，導致在世界首顆衛星上天30年之后，航天領域在研制大型衛星的同時，又開始了重視衛星的小型化工作，出現了大、小衛星并舉的局面。

但是，目前的小衛星研制工作并不是早期小衛星的簡單回歸，而是一個質的飛躍。新一代小衛星亦稱現代小衛星，是按照更好、更省、更快的原則發展起來的，是在新的科學技術基礎和新的生產力水平上涌現的，其技術密集程度和功能密度都大大提高，正在促使衛星技術發生深刻的變革。日新月異的高度集成化和輕量化等技術，也為小型衛星的興旺發達提供了條件，促進了星載遙感器、探測器、轉發器、照相機等科學儀器和設備部件的小型化，使其個兒小本領大，已廣泛用于通信、遙感、天文、試驗和其他許多方面。

現代小衛星不僅擁有體積小、重量輕、技術含量高、性能好、可靠性強、研制周期短、制造費用低、發射靈活和不易被摧毀等一系列優點，而且能較快地采用新技術成果、容易改型、研制規模小、生產效率高、適應性強、便于管理、風險性低，因而具有廣闊的發展和應用前景，越來越走紅。它既可單星使用，也能組成星座使用，并推動地面站向小型化、標準化、機動化、靈活化方向發展。如美國空軍1990年5月發射的兩顆各重68千克的多址通信衛星，在上世紀90年代的海灣戰爭中發揮了重要作用。再如由66顆小衛星組成的銥星通信系統和由48顆小衛星組成的全球星通信系統，都在近地軌道形成環球網絡，不僅能替代均布在赤道上空靜止軌道上的三顆大型通信衛星的功能，而且可覆蓋地球兩極地區，實現真正的全球通信，非常方便地在任何時刻為任何地區的用戶提供電話、文傳、加密資料傳送及傳呼等服務。

1999年，美國運載火箭多次發射失敗，價值連城的大型衛星也同歸于盡，造成幾十億美元的損失。當時就有航天專家指出，若用數顆小衛星來代替一顆大衛星則可以分散風險，并能互為備份，即使在發射或在軌運行期間有個別犧牲也無傷大雅，對整個衛星系統影響不大。星座中萬一有衛星壞了，只要進行補網發射即可填充。而大衛星損壞了，不僅經濟上損失巨大，而且還會影響所覆蓋地區的社會秩序。例如，1998年5月19日，美國“銀河”4號通信衛星突然發生嚴重故障，結果使全美90％的尋呼機無法工作，一些銀行、電視廣播和服務系統也不能正常運作。由此可見，用小衛星群“以十保一”比大衛星“以一當十”可靠得多。

小衛星技術還帶動了空間探測器的微型化，并收到了良好效果。以往的深空探測器均耗資巨大，如“伽利略”號木星探測器和“卡西尼”號土星探測器等，其造價都達到十幾億甚至幾十億美元，結果導致空間探測活動舉步維艱。為此，美國從20世紀90年代開始研制小型深空探測器，結果獲得了出人意料的成果。如1997年在火星軟著陸的“火星探路者”著陸器僅重360千克，它還攜帶了一輛重10千克的火星漫游車，雖然其費用只有20世紀70年代“海盜”號火星著陸器的五分之一，但卻傳回了大量有用的數據資料，可謂物美價廉。1999年7月31日撞擊月球的美國“月球勘探者”號探測器也僅重295千克，于撞毀前的在軌飛行期間曾探測到月球上有大量水冰，當時在全世界引起轟動。

現代小衛墨研發特點

迄今世界上已有20多個國家和地區開展衛星的開發和研制工作，正在太空運行的小衛星近500顆。關于小衛星的分類，目前國際上尚無統一標準，通常都是按重量大小區分的。按照以成功研制發射過多顆小衛星而聞名于世的英國薩瑞大學的分類辦法，小衛星可分為4種類型：重為1000千克～500千克者稱作小衛星，造價約為5000萬～2000萬美元；重為500千克～100千克者稱作超小衛星，造價約為2000萬～400萬美元；重為100千克～10千克者稱作微型衛星，造價約為400萬～100萬美元；重為10千克以下者稱作納米型衛星，造價不到100萬美元。還有的航天專家提出研制重量更小的皮米型衛星和芯片型衛星的方案，其造價也更為便宜。

就一般衛星而言，分系統重量占整星重量比例大小的順序為電源、結構和姿態控制推進系統，依次分別為37％、26％、21％左右。而從投資情況看，與上述順序完全相反，分系統占整星的比例次序卻是姿控約為15％、結構約為13％、電源約為10％。顯而易見，重量大和投資多的分系統是小衛星研制過程中必須攻克的重點問題。從降低重量和提高功能密度來說，衛星的姿控、結構、電源三個部分的可挖潛力很大。事實上，各國研制和發射的現代小衛星，都在這些方面下了功夫并取得了一定程度的進展，獲得了越來越明顯的成效。

現代化小衛星的發展已經歷了兩個階段。第一階段是從20世紀80年代中期至90年代初期，稱為探索研究階段，主要取得了采用微電子學、高速計算機等方面的經驗，擴大了小型衛星的應用范圍。第二階段是從20世紀90年代初期到90年代末期，成為發展應用并初步形成規模階段，主要是采用了高新技術成果，成為名副其實的性能高、成本低、研制周期短的現代化小型衛星。21世紀初，現代小衛星進入第三階段，主要是大量采用最新科技成果、全新設計概念和先進的管理方式，實現現代小衛星的快速發展，科學高效的管理機制，包括矩陣式管理模式。英國薩瑞大學小衛星公司就是集設計、制造、管理和技術轉讓于一身的高效研制機構。

發展現代小衛星代表了一種新思想、新趨勢。它突破了傳統的一星多用、綜合利用的設計思路，不追求全面、綜合、完美，而是主張簡化設計，采用成熟技術和模塊化、標準化的硬件，以便實現通用化和組合化，只要不伴隨單點失效，則應盡量減少備份或無備份。這就決定了必須下大力氣探索和選擇新途徑，再沿用大型衛星研制的老套子是不行的。外國在小衛星的開發中很重視率先解決計算機輔助設計和管理等軟硬件的集成問題，積極建立各層次設計數據。經驗證明，落后的設計、制造工藝和工作環境無法實現小衛星的發展，采用全新的技術途徑也必須有現代設計手段的支持。由于用小型衛星組成的星座數量多，因此必須批量生產。美國銥星和全球星的生產采用了全新的方式，20多天就制造一顆衛星，令人耳目一新。

迅速發展的現代小衛星，其特殊的用途之一就是能夠比較經濟地進行空間技術試驗。美國已用小衛星進行了多次這樣的試驗，其中有一種名叫“空間試驗平臺”的系列衛星水平較高。該系列的每顆衛星重500～180千克，工作壽命1～3年，運行在近地軌道，適應性較強。它可根據任務需要，在較短時間內完成總裝、測試和發射。美國還于1997年8月和12月發射了“劉易斯”小衛星和“強力二號”小衛星。前者是小衛星技術倡議中的一顆，用于探討更快、更好、更省的發展方針，后者用于驗證多項新的空間技術。另外，現代小衛星所具有的特點，還決定了它在軍事方面可以大顯身手。它可根據戰場需要及時進行應急發射，即使戰后報廢也無所謂，因為從一場高技術戰爭的費用來看，這筆小的支出還是很劃算的。正緣于此，一些國家竟相研制形形色色的軍用小型衛星。

中國小衛星概述

為了探測近地空間的帶電粒子環境，研究其對航天器的影響，我國于1994年2月8日成功發射了“實踐四號”衛星。該星是高性能的小型科學衛星，使我國首次獲得了海拔200～36000千米之間的空間環境參數和高能粒子效應資料。1999年5月10日升空的“實踐五號”是我國第一顆采用公用平臺思想設計的小型科學試驗衛星，其性能達到國際水平。它在空間單粒子效應及其對策研究方面取得了可喜成果；出色地完成了空間流體科學試驗；首次在我國衛星上成功地應用了國際上先進的數據傳輸標準等。這些試驗結果和數據資料對我國新型航天器和電子信息系統的設計具有重要意義。

2000年6月28日，由中國航天科工集團公司、清華大學、英國薩瑞大學合作研制的“航天清華一號”微型衛星，用俄羅斯的宇宙－3M運載火箭從普列謝茨克航天發射場發射升空，進入高約650千米的太陽同步圓形軌道運行。該衛星不僅首開國外火箭發射國產衛星的記錄，而且也是我國參與研制的首顆微型衛星。同時，它還開創了我國大學研制衛星的先河，為我國航天技術創新開辟了又一途徑。重50千克的“航天清華一號”衛星。在地面探測系統配合下，進行了多種科學試驗。其突出特點是，具有在軌運行期間再上載軟件的功能，可隨時通過上載新的軟件改變衛星的任務，并及時修正宇宙高能粒子對芯片輻射而導致的程序突變問題。星載斜置照相機，結合星體低速自旋，能實現較大的觀測視場。它還研究了自然災害的監控與預報技術。與“航天清華一號”同時升空的還有分屬英國和俄羅斯的兩顆小衛星。

2003年10月21日，中國科學院研制的首顆微型衛星“創新一號”發射升空，進入751千米高的圓形太陽同步軌道運行。衛星重88.8千克，裝有處理轉發器和收發天線等有效載荷，可在交通運輸、環境保護、防汛抗旱等數據信息傳遞中發揮重要作用。同年12月14日，中國科學院在上海微系統與信息技術研究所舉行了上海微小衛星工程中心/中國科學院微小衛星聯合重點實驗室掛牌儀式，標志著我國微小衛星步入新的發展時期。

2004年4月18日，“試驗衛星一號”和“納星一號”一塊發射升空。前者重204千克，采用了一體化設計思想，應用了基于磁控和反作用飛輪控制的姿態捕獲、高精度高穩定度姿態控制、自主運行管理等多項前沿技術，是我國第一顆傳輸型立體測繪微型衛星，主要用于國土資源攝影測量、地理環境監測和測圖科學試驗。至同年7月18日，衛星在距地面597千米高的太陽同步軌道運行了1345圈，完成了規定的全部試驗項目，演示驗證任務取得成功。后者重量不到30千克，是當時在軌運行最小的輪控三軸穩定衛星，主要用于微型衛星軌道保持與變軌試驗、CMOS相機對地成像試驗、衛星程序上載與軟件試驗，以及數據傳輸、遙感攝影、姿態控制等試驗。該星完成了規定的任務，標志著我國已成為進入這一領域的少數國家之一。

2004年11月18日，“試驗衛星二號”發射升空。該星重為300多千克，是一顆科學試驗微型衛星。它采用性能先進的CAST2000平臺，整星特點達20多項，其中有多項技術創新，從而開創了小衛星應用的新局面，為后繼同類衛星的研制奠定了堅實的基礎。

我國相繼成功發射的多顆不同重量、不同用途的小衛星，在科學試驗、資源普查、災害預報、地貌測繪、環境勘探和農業監測等領域發揮了獨特作用。研發小衛星是我國利用空間技術服務經濟建設、造福人類的一條重要途徑。目前我國正在研制環境和災害監測小衛星，并要在太空建立星座系統。

為適應日益增長的小型衛星發射任務需求，“十一五”期間我國將開展用于發射小衛星的新一代小型運載火箭研制。發射周期5～7天，700千米太陽同步軌道的運載能力為500千克，具備雙星或多星發射更小重量級衛星的能力。新一代小型運載火箭采用無毒無污染的液氧／煤油發動機，適應綠色環保要求。

責任編輯 龐 云