微納衛(wèi)星一種新的發(fā)射方式
—空間站釋放

徐映霞（北京空間科技信息研究所）

微納衛(wèi)星一種新的發(fā)射方式
—空間站釋放

徐映霞（北京空間科技信息研究所）

近兩年來，一種使微納衛(wèi)星進(jìn)入空間的新方法—空間站釋放，呈現(xiàn)出迅速增長的應(yīng)用趨勢，受到越來越多的關(guān)注。相對(duì)于常見的作為主載荷的發(fā)射方式，空間站釋放可降低發(fā)射時(shí)承受的振動(dòng)和沖擊載荷，減小微納衛(wèi)星受損的可能性；還可以在釋放前進(jìn)行外觀以及功能和性能檢查，確認(rèn)微納衛(wèi)星狀態(tài)，必要時(shí)進(jìn)行一定的修補(bǔ)。

1　概述

近十幾年來，高可靠商業(yè)器件、小型化和材料等技術(shù)的快速發(fā)展，使得納衛(wèi)星取得了長足進(jìn)步，特別是近幾年適用于納衛(wèi)星的關(guān)鍵部組件研制完成，更加速了納衛(wèi)星的快速應(yīng)用。從2012年開始，納衛(wèi)星呈現(xiàn)迅猛增長的趨勢，納衛(wèi)星的目標(biāo)也在教育用途的基礎(chǔ)上，增加了多種科學(xué)和技術(shù)研究以及意義深遠(yuǎn)的用途，如對(duì)地觀測、空間氣候、空間態(tài)勢感知等。許多小國家以納衛(wèi)星為敲門磚進(jìn)入航天領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星的首發(fā)突破。2014年，美國通過“國際空間站”釋放形成“鴿群”對(duì)地觀測納衛(wèi)星星座，實(shí)現(xiàn)了分辨率3～5m的區(qū)域連續(xù)觀測。

納衛(wèi)星發(fā)射增長情況

但是進(jìn)入空間的能力一直是這些微納衛(wèi)星低成本執(zhí)行任務(wù)的障礙之一。通常，航天器從地面上的衛(wèi)星發(fā)射場通過運(yùn)載火箭送入預(yù)定軌道，這個(gè)費(fèi)用是相當(dāng)可觀的。對(duì)于微納衛(wèi)星，特別是執(zhí)行空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證任務(wù)的微納衛(wèi)星，根本無法獨(dú)自承受進(jìn)入空間的巨額費(fèi)用，而是采用搭載發(fā)射的方式進(jìn)入空間。但是搭載發(fā)射的機(jī)會(huì)是有限的，沒有發(fā)射時(shí)間的獨(dú)立性，成本也不夠低廉，而且存在一系列技術(shù)和程序上的挑戰(zhàn)。首先要選擇適合的主載荷任務(wù)，得到主載荷用戶的認(rèn)可，因?yàn)檫@種搭載發(fā)射對(duì)主載荷的整個(gè)計(jì)劃沒有好處，還可能存在技術(shù)、進(jìn)度和成本上的風(fēng)險(xiǎn)；其次，搭載載荷必須聽從主載荷的日程和發(fā)射要求，提前提供搭載載荷的初步數(shù)據(jù)，有時(shí)需提前2～3年。而大多數(shù)微納衛(wèi)星的計(jì)劃周期較短，無法提前給出。另外還要滿足一些附加要求，發(fā)射環(huán)境條件往往也比較嚴(yán)酷。

近兩年來涌現(xiàn)出一種新的發(fā)射方式，即由貨運(yùn)飛船將微納衛(wèi)星帶入“國際空間站”，將“國際空間站”作為天基發(fā)射場，從空間“發(fā)射”。這種方法大大減少了發(fā)射費(fèi)用，拓寬了空間站的應(yīng)用范圍，而且不存在上述限制，正在逐步受到關(guān)注。

美國“鴿群”納衛(wèi)星星座獲得的地球圖像

從“國際空間站”釋放納衛(wèi)星的數(shù)量

2　空間站釋放的特點(diǎn)和技術(shù)需求

空間站釋放的特點(diǎn)

從空間站釋放微納衛(wèi)星，首先需要通過貨運(yùn)飛船運(yùn)到空間站的空間“發(fā)射場”，然后從空間站釋放。貨運(yùn)飛船發(fā)射時(shí)，微納衛(wèi)星在飛船上可靠固定，并用吸振材料包裹保護(hù)，大大降低了發(fā)射時(shí)的振動(dòng)和載荷，因而可略去抗力學(xué)環(huán)境的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，節(jié)省質(zhì)量和體積，更有效地利用資源。其次，微納衛(wèi)星到達(dá)空間站后，航天員進(jìn)行安裝天線、太陽電池翼等簡單裝配，降低發(fā)射環(huán)境對(duì)這些懸臂結(jié)構(gòu)的損壞幾率，并進(jìn)行外觀以及功能和性能的加電檢查，確認(rèn)衛(wèi)星狀態(tài)完好，必要時(shí)還可進(jìn)行簡單維修。另外，從空間站釋放微納衛(wèi)星還有利于及時(shí)應(yīng)對(duì)突發(fā)狀況，降低應(yīng)對(duì)成本。未來或許可以成為脫離低地球軌道（LEO）的一個(gè)跳板，進(jìn)一步開拓新應(yīng)用。

但是空間站釋放也存在著一定的局限性，首先，軌道單一，目前所有釋放的納衛(wèi)星均與空間站處于同一軌道；其次，存在軌道衰減快、衛(wèi)星壽命短（一般不超過12個(gè)月）的弱點(diǎn)。

空間站釋放的商業(yè)運(yùn)營

美國N a n o R a c k s公司與美國航空航天局（N A S A）簽訂了空間法協(xié)議（S p a c e A c t Agreement），該公司一直為“國際空間站”上的美國國家實(shí)驗(yàn)室提供商業(yè)硬件和服務(wù)，也負(fù)責(zé)提供空間站“發(fā)射”服務(wù)。2013年，空間飛行公司（Spaceflight）與NanoRacks公司合作，共同提供“國際空間站”的微納衛(wèi)星釋放服務(wù)。

NanoRacks公司和空間飛行公司為用戶發(fā)射微納衛(wèi)星的平均準(zhǔn)備時(shí)間（從商業(yè)合同簽訂到發(fā)射）為9個(gè)月，微納衛(wèi)星可通過“龍”（Dragon）飛船、“天鵝座”（Cygnus）、歐洲“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”（ATV）和“H-2轉(zhuǎn)移飛行器”（HTV）進(jìn)入空間站。發(fā)射費(fèi)用一般為8.6萬美元/1U立方體衛(wèi)星，這包括了除衛(wèi)星建造之外的所有費(fèi)用。衛(wèi)星研制方需要提供包括圖紙?jiān)趦?nèi)的衛(wèi)星硬件詳細(xì)資料，發(fā)射前6個(gè)月交付占位（placeholder）衛(wèi)星硬件，提前2個(gè)月交付衛(wèi)星，一般情況下到達(dá)空間站約1個(gè)月后開始釋放。出于空間站安全考慮，衛(wèi)星所用的電池需要進(jìn)行批檢或者直接采購NanoRacks公司獲準(zhǔn)使用的產(chǎn)品；用戶還需自行申請(qǐng)無線電頻率許可。

日本載人航天系統(tǒng)公司（JAMSS）載人航天系統(tǒng)部（MSSD）也為微納衛(wèi)星研發(fā)者提供空間站釋放服務(wù)。在得到日本宇宙航天研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）的認(rèn)可后，衛(wèi)星的整個(gè)研發(fā)過程需要遵守日本希望號(hào)實(shí)驗(yàn)艙（JEM）有效載荷適應(yīng)手冊(cè)（JPAH）的要求，接口兼容性和安全性需要由JAXA評(píng)審。日本載人航天系統(tǒng)公司還負(fù)責(zé)航天員和飛行控制人員的培訓(xùn)，使航天員和地面人員熟悉微納衛(wèi)星的釋放硬件及其操作步驟。

“國際空間站”釋放方案

實(shí)現(xiàn)空間站釋放的技術(shù)需求

空間站釋放的技術(shù)考慮主要有兩個(gè)方面，一是需要制定釋放策略，保證安全可靠；二是需要完成釋放的硬件裝置。

空間站釋放策略主要從安全性的角度考慮，包括釋放后微納衛(wèi)星可能對(duì)空間站產(chǎn)生的碰撞威脅、微納衛(wèi)星相互間的碰撞、對(duì)空間站的通信干擾，以及可能產(chǎn)生的空間碎片等。它與“一箭多星”發(fā)射的釋放考慮有類似之處。“一箭多星”發(fā)射中，次載荷釋放遇到的問題主要有3個(gè)：一是要避免次載荷與主載荷和運(yùn)載火箭相互接觸；二是避免次載荷之間相互接觸；三是次載荷軌道衰減的管理。釋放機(jī)動(dòng)方案的設(shè)計(jì)是確保載荷安全地完成任務(wù)的關(guān)鍵，在已完成的“一箭多星”發(fā)射中得到了驗(yàn)證。所不同的是，“一箭多星”發(fā)射時(shí)，幾十分鐘內(nèi)的釋放數(shù)量最多可達(dá)到幾十顆，而從空間站釋放時(shí)，每次釋放的數(shù)量僅為幾顆，因此相對(duì)降低了釋放策略的復(fù)雜程度。

已經(jīng)進(jìn)入空間站的釋放硬件裝置有3種：JAXA研制的小衛(wèi)星軌道釋放裝置（J -SSOD）、美國N a n o R a c k s公司研制的立方體衛(wèi)星釋放器（NRCSD）和NASA約翰遜航天中心（JSC）開發(fā)的50～100千克級(jí)微衛(wèi)星釋放系統(tǒng)（Cyclops）。

小衛(wèi)星軌道釋放裝置是最早在空間站使用的釋放硬件，2012年10月首次使用。它由2個(gè)衛(wèi)星安裝容器、分離機(jī)構(gòu)和電路盒組成。衛(wèi)星安裝容器為長方體形狀，帶彈簧預(yù)緊，2個(gè)容器最多可容納6U立方體衛(wèi)星；分離機(jī)構(gòu)提供釋放時(shí)的分離力，實(shí)現(xiàn)速度增量。

JAXA研制的小衛(wèi)星軌道釋放裝置

美國NanoRacks公司研制的立方體衛(wèi)星釋放器

NASA約翰遜航天中心開發(fā)的微衛(wèi)星釋放系統(tǒng)

立方體衛(wèi)星釋放器的首次使用是2014年2月，其設(shè)計(jì)符合NASA“國際空間站”安全性要求，整體尺寸為130mm×175mm×840mm，為長方體管型結(jié)構(gòu)，包括陽極化的鋁板、基板組件、衛(wèi)星安裝面板和釋放門。每個(gè)釋放器最多可容納1個(gè)6U立方體衛(wèi)星，最多可安裝8個(gè)釋放器，同時(shí)容納16個(gè)3U立方體衛(wèi)星。釋放器的內(nèi)壁光滑，釋放時(shí)衛(wèi)星盡量不與釋放器的內(nèi)壁接觸，保證衛(wèi)星受到的阻力最小。

衛(wèi)星釋放系統(tǒng)適用于50～100千克級(jí)微衛(wèi)星的釋放，目前只使用過一次，即2014年11月將美國海軍實(shí)驗(yàn)室的“專用廉價(jià)衛(wèi)星”（Spinsat）釋放到太空。衛(wèi)星釋放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也符合“國際空間站”安全性要求，尺寸約為127cm×61cm×7.6cm，壽命與“國際空間站”任務(wù)期相匹配。衛(wèi)星釋放系統(tǒng)與日本希望號(hào)實(shí)驗(yàn)艙氣閘艙、“國際空間站”機(jī)械臂以及微衛(wèi)星均有接口，對(duì)微納衛(wèi)星的體積包絡(luò)也有一定限制。

最早從空間站釋放衛(wèi)星是在1995年，地球科學(xué)研究中心－1（GFZ－1）衛(wèi)星由“進(jìn)步”飛船帶入和平號(hào)空間站，11天后航天員通過艙外活動(dòng)釋放到太空。這個(gè)直徑21.5cm、質(zhì)量20.63kg、帶有60塊激光回射器的無源球在軌工作了4年64天，獲得的數(shù)據(jù)改善了地球重力場模型的精度和分辨率。

“國際空間站”首次釋放衛(wèi)星于2011年進(jìn)行，目前有2種釋放方式：航天員通過艙外活動(dòng)手工釋放和航天員或地面人員操控、通過機(jī)械方式從日本希望號(hào)實(shí)驗(yàn)艙氣閘室釋放（不需要航天員出艙）。前一種方式釋放的微衛(wèi)星不太受衛(wèi)星形狀、質(zhì)量的限制，后一種方式釋放的立方體納衛(wèi)星，需滿足一定要求的100kg以下的微衛(wèi)星。

要釋放的微納衛(wèi)星首先由貨運(yùn)飛船帶到“國際空間站”，航天員在日本希望號(hào)實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)將衛(wèi)星安裝在釋放裝置上，再將釋放裝置安裝到多用途實(shí)驗(yàn)臺(tái)（MPEP），多用途實(shí)驗(yàn)臺(tái)與滑動(dòng)臺(tái)相連，由滑動(dòng)臺(tái)將多用途實(shí)驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)送到“國際空間站”外部，日本希望號(hào)實(shí)驗(yàn)艙上的遠(yuǎn)程操縱器系統(tǒng)（JEMRMS）抓住多用途實(shí)驗(yàn)臺(tái)或衛(wèi)星釋放系統(tǒng)（對(duì)于衛(wèi)星釋放系統(tǒng)，也可由“國際空間站”的遠(yuǎn)程操縱器系統(tǒng)抓住釋放）送到釋放位置，調(diào)準(zhǔn)方位后釋放。需要時(shí)，空間站的遠(yuǎn)程操縱器系統(tǒng)（SSRMS）和“國際空間站”其他相機(jī)可進(jìn)行視頻監(jiān)控。

“國際空間站”釋放衛(wèi)星的瞬間

3　從“國際空間站”釋放獲得的啟示

空間站釋放微納衛(wèi)星的范圍正在擴(kuò)大，并進(jìn)一步開拓新應(yīng)用

最初，空間站釋放微納衛(wèi)星由航天員的艙外活動(dòng)完成，一次只釋放1顆微納衛(wèi)星。2012年日本的小衛(wèi)星軌道釋放器帶入空間站后，首次使用機(jī)械方式實(shí)現(xiàn)了立方體衛(wèi)星的釋放，一次可釋放多顆衛(wèi)星。2014年首次完成了由立方體衛(wèi)星構(gòu)成的對(duì)地觀測星座的釋放，獲得了從分辨率和重訪周期2個(gè)角度評(píng)估較優(yōu)的星座性能。2014年11月首次嘗試釋放了50～100kg的微衛(wèi)星，進(jìn)一步拓展了釋放范圍。

一些研究顯示，目前還在探索利用空間站和貨運(yùn)飛船，在貨運(yùn)飛船交付物品后升高軌道釋放小衛(wèi)星的新方式，即使用Altius航天機(jī)械公司研制的艙門吊籃（HatchBasket）系統(tǒng)解決對(duì)微納衛(wèi)星體積限制較嚴(yán)、軌道單一以及在軌壽命較短的問題，為更多的微納衛(wèi)星進(jìn)入太空提供機(jī)會(huì)。NASA正在進(jìn)行此套系統(tǒng)對(duì)空間站的安全性影響評(píng)估，通過后才能獲準(zhǔn)在空間站應(yīng)用。

空間站釋放的相關(guān)安全性需求正在逐步完善

隨著空間站釋放微納衛(wèi)星應(yīng)用的增多，對(duì)其可能給空間站安全帶來的問題研究也在進(jìn)行。“國際空間站”的安全性要求正在逐步完善中，這些安全問題包括：微納衛(wèi)星在空間站內(nèi)的操作過程中可能存在的安全隱患，比如所使用的材料和器件、測試過程等；避免所釋放微納衛(wèi)星相互之間和與空間站間碰撞，以及電磁干擾問題。

跟蹤并有計(jì)劃地開展空間站釋放的相關(guān)技術(shù)研究，

為我國空間站的充分利用做好技術(shù)儲(chǔ)備

空間站釋放需要釋放硬件和釋放方案的支持，并需要對(duì)所釋放衛(wèi)星的接口做出界定，以提高釋放硬件和軟件的適用能力，降低成本。這些技術(shù)包括小衛(wèi)星在軌釋放裝置、釋放方位和時(shí)機(jī)、防止多顆衛(wèi)星同時(shí)釋放時(shí)相互碰撞，以及與空間站碰撞、防止與空間站通信干擾等。同步開展這些技術(shù)的研究，有利于在我國空間站建成并投入運(yùn)行后實(shí)現(xiàn)空間站釋放的功能，最大限度地利用空間站設(shè)施，多方位開展空間探索活動(dòng)。

通過空間站釋放功能發(fā)揮高校等科研機(jī)構(gòu)的

研究能力，加速航天新技術(shù)研發(fā)

空間站釋放功能的實(shí)現(xiàn)使航天工程成為一種經(jīng)濟(jì)可承擔(dān)的工程，大大降低了準(zhǔn)入門檻。這樣，一方面解決了微納衛(wèi)星低成本進(jìn)入太空的問題，為新技術(shù)提供真實(shí)環(huán)境的試驗(yàn)平臺(tái)，有利于將復(fù)雜技術(shù)通過微納衛(wèi)星的形式逐項(xiàng)進(jìn)行試驗(yàn)，獲得第一手試驗(yàn)數(shù)據(jù)；另一方面，高校等科研機(jī)構(gòu)可以低成本地加入航天工程活動(dòng)，利用自身科研力量集中的優(yōu)勢，開展高精尖的科學(xué)技術(shù)研究，在真實(shí)環(huán)境中進(jìn)行試驗(yàn)探索，有助于快速開發(fā)新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)科技成果的應(yīng)用與轉(zhuǎn)化。

New Way To Launch Nano/Micro Satellite: Being Released From ISS