未來“拼”星去太空

□ 林來興 羅 鷹

未來是否可以像寫信一樣訂制一顆小衛星

對地觀測衛星的分辨率重訪時間

小衛星在各領域得到廣泛應用，從單顆小衛星，到小衛星星座和分布式小衛星系統編隊飛行，從小衛星采用全新的推進劑等先進的技術，到采取創新的設計思想，未來小衛星將有優于大衛星的功能和成本效益，其發展前景將無法估量。

未來小衛星技術發展原則

科學家預測，小衛星的未來發展將有十大原則：

一、更換小衛星信息結構，時刻保持和快速發展的信息與計算機技術同步，甚至在某些方面超前應用。要改變現有航天器在信息技術方面往往落后5年~8年的狀態。

二、采用分布式系統，特別是發展具有創新應用的小衛星編隊飛行。采用相互密切，協同工作的多顆小衛星，實現稀疏合成孔經（幾十米到幾千米）。

三、能源和信息傳輸不再按以前那樣花費沉重質量來獲得，而是改由空間傳輸。

四、采用電磁力和電推進來代替化學推進。當然，這些電磁力和電推進的功耗與質量需要符合小衛星要求。

五、采用先進納米技術，微米機電系統 (MENS)和納米機電系統（NEMS）。

六、采用全球衛星導航星座來為星上提供時標、位置、速度與姿態測量信息。

七、充分運用微星、納星和皮星的空間飛行演示驗證，從而迅速促進小衛星分類中各種小衛星（例如：微星，納星，皮星等）逐級提升替換。

八、不斷提高小衛星功能密集度，包括提高有效載荷與整星比重和小衛星分系統與部件功能密集度。

九、設計和研制低成本、高可靠性、批生產的公共部件，以及系統和標準化模塊。未來小衛星將開始實現F6的功能模塊和設計思想。

十、在可能情況下，實現空間消耗品的回收，保持地球軌道環境的干凈。

未來小衛星的應用預測

在2025年之前，對地觀測（包括光學和微波）地面分辨率有望提高1個數量級。分布式小衛星系統對地分辨率的提高和重訪時間縮短將有非常明顯的改變。如對地觀測衛星的分辨率重訪時間圖所示：在圖中分布式小衛星系統由目前幾米地面分辨率和20小時~30小時的重訪時間，將提高到分辨率優于1米，少于幾小時的重訪時間，將來進一步發展可接近實時。預計在2年后，可首先實現小衛星分辨率1米，質量200千克左右，每顆造價1500萬美元，由10顆衛星組成的星座可實現全球覆蓋，重訪時間為1天，做到每日成像。全球陸地面積約5億平方千米，每平方千米每日成像1米分辨率，其成本為30美分。這可滿足民用絕大部分的要求，對軍用也有巨大意義，而且經濟負擔很輕。

sseti-express-1(歐洲學生皮衛星）

日本小衛星xi-4

可能今年搭載在長四乙火箭發射的vesselsat-2-1重29千克

ION-F編隊飛行示意圖：這三顆衛星之間的間距為2千米，其軌道參數為：高度370千米、傾角51.6度、壽命為約4個月、速度7.37千米、周期90分鐘

全球數據實時通信，主要將由納型衛星組成星座來承擔。

在今后若干年全世界將完成數十項小衛星編隊飛行空間實驗和技術演示驗證，它們包括地球軌道，太陽系各行星軌道和拉格朗日平動點軌道。若這些項目演示驗證成功的話，則將來太陽系各行星空間探測任務，將大部分由小衛星編隊飛行來承擔。再進一步轉向地球軌道小衛星編隊飛行，因為地球軌道編隊飛行所需要關鍵技術，估計那時已經獲得初步解決。

研究人員和衛星框架

在地球同步軌道衛星編隊飛行，實現實時高分辨率光學成像。由于軌道高度離地面3.6萬千米，采用普通光學成像，則需要光學口徑30米~40米，僅相機質量近十噸，單顆衛星是無法實現。若采用編隊飛行，有望能把這個理想變為現實。這個理想主要目標是實時高分辨率對地觀測，特別對軍用具有重大意義。

預計每隔五六年將有可能進行一次升級替換：微星替換小衛星；納型衛星替換微型衛星；立方體星替換納星。雖然在各應用領域升級替換不盡完全相同，但是隨著小衛星技術不斷發展和功能提高，升級替換一定會實現。同時，現代小衛星將逐漸替換目前一部分質量在1000千克~2000千克量級的大衛星。將來除了空間站、載人飛船和一些特殊用途的航天器以外，類似目前功能的大衛星數量將逐漸減少。今后空間技術和應用也會按“摩爾定律”去發展。

發展“納星/立方體”（Nanosat/Cubesat）技術。主要應用于研究開發新技術與研制新衛星空間演示驗證。

相關鏈接

ION-F 電離層觀測納星

ION-F 電離層觀測納星編隊由三顆重量為10千克的納星組成，是由華盛頓大學、猶他州大學和維吉尼亞工藝學院聯合開發的一個電離層測量項目，其科研目標是探索電離層密度結構及其對無線電波的影響。星上裝備有等離子體阻抗探測器、電子飽和流探測器，分別用于測量等離子體的絕對和相對密度。另外，還備有GPS裝置以提供衛星系統的時間位置信息。電源子系統采用傳統的太陽電池板和商用鎳鎘電池組成，衛星外表面都覆蓋著太陽電池板。衛星采用的新技術包括微推進器、磁控制、系繩布署、衛星之間交互式通信、以及國際互聯網操作等。

ION-F計劃最基本的任務是調查電離層對天基雷達和衛星的分布式系統的影響。還將要驗證衛星編隊飛行和星間通信，包括從三星增加為四星編隊飛行時的情況，以及先進的空間分布式系統，包括m-脈沖等離子體推進器、萬向節式磁姿態控制裝置、先進的系繩系統。另外還要開發一個以國際互聯網為基礎的衛星控制中心，使得各個大學能夠實現在本校內獨自控制自己的衛星，為學生、研究人員、工程師提供航天操作體驗。

ION-F計劃標志

衛星結構呈六邊形，直徑45厘米，配置可以根據需要改變