大放異彩的小衛星

童子軍

2015年9月20日，我國用新一代運載火箭長征6號一舉發射了20顆小衛星，單次衛星發射數量居亞洲首位，引起了國內外轟動。

近年，在微納制造等技術的助力下，有的單顆遙感小衛星分辨率已達到了0.31米，有的則通過建造低軌小衛星星座實現了全球無縫隙個人通信……這些新創舉，將進一步引發小衛星產業的新一輪熱潮。

? 國際空間站的機械臂在釋放立方體納型衛星

現代小衛星異軍突起

科學家們一般將20世紀70年代前發射的小衛星叫“傳統（簡單）小衛星”，20世紀80年代后發射的稱“現代（高性能）小衛星”。進入21世紀后，越來越多的國家開始重視和發展小衛星，全球掀起了新的小衛星熱潮。

自2013年起，全球已連續3年成功發射小衛星超過130顆、入軌數量占全球同期入軌航天器總數比超過60%。小衛星已成為航天活動高速發展的重要驅動力，正孕育著未來航天發展的重大變革。

因采用了微納制造等高新技術和新設計思想，和20世紀70年代前生產的小衛星相比，現代小衛星已有了飛躍性的發展。現代小衛星的功能更強，技術含量更高，正廣泛應用于商業通信、航天遙感、空間科研、行星探測、國防軍事等領域。

立方體衛星方興未艾

1999年，美國斯坦福大學湯姆·肯尼教授對“皮型衛星”提出了新概念，把它定義為立方體衛星（CubeSat），即重量為1千克，體積約為10厘米×10厘米×10厘米的正立方體衛星（也叫1U）;而由若干顆立方體衛星可組成立方體納型衛星（簡稱“納星”）。立方體衛星和立方體納型衛星是現代小衛星的一個新創舉。

譬如，若用50～100顆立方體納型衛星能實現全球覆蓋，可同時獲得高空間分辨率（2～3米）和高時間分辨率（重訪時間為15～45分鐘，重訪時間短則能更及時發現地面景物的變化），成本僅1億多美元，正是這些優勢，使得立方體衛星頗受高校及初創航天公司的青睞。近年來，立方體衛星的發射數量也在快速攀升。據統計，僅2014年一年，全球共成功發射立方體衛星103顆。

此外，不少國家通過研制立方體衛星，圓了航天夢。如2013年，厄瓜多爾和秘魯將自主研制的立方體納型衛星利用搭載成功發射，實現了本國衛星零的突破。立方體衛星因具有標準化、模塊化、低成本、研制周期短等優勢，倘若被應用于分布式空間系統，能發揮更大的作用，具有廣闊的發展前景。

? Planet Labs（星球實驗室）公司的納型衛星（2014年2月釋放）

延伸閱讀小衛星的分類

小衛星有多種分類法，國內一般采用廣義的標準，把重量在1000千克以下的衛星稱為小衛星;而國外一般采用狹義的標準，把重量在500千克以下的才稱為小衛星。

若按廣義的標準，小衛星還可進一步分為幾個等級：重量在500～1000千克的稱為小型衛星;重量在100～500千克的稱為微小衛星（Minisat）;重量在10～100千克的稱為微型衛星（Microsat）;重量在1～10千克的稱為納型衛星（Nanosat）;重量在0.1～1千克的稱為皮型衛星（Picosat）;重量小于0.1千克的稱為飛型衛星（Femtosat）。

延伸閱讀中國首枚手機衛星

2015年9月20日，中國首枚長征6號運載火箭成功將20顆小衛星送入軌道。在此次發射任務中，就有1顆1千克級的“智能”手機衛星。這也是中國首顆以商用智能手機主板和安卓操作系統為核心設計完成的小衛星。

? 手機衛星的太小與杯子相仿

手機衛星“大有作為”

近年來，在立方體衛星的基礎上，又出現了在全球影響巨大的手機衛星。所謂手機衛星，就是以立方體衛星為衛星平臺，以智能手機為有效載荷的新型衛星。

2013年2月，英國薩瑞衛星公司研制出全球首顆智能手機衛星—薩瑞培訓研究和納衛星演示1號（STRaND-1）。它是一個4U立方體衛星，重約4千克，采用手機對衛星進行控制，除了太陽能電池板和推進系統外，它還具有傳統衛星的所有部件及功能，是全球首顆采用3D打印技術制備零件的航天器。

2013年4月，美國國家航空航天局的3顆智能手機衛星（2顆PhoneSat1.0和1顆PhoneSat2.0）升空。它們均為1U立方體衛星，操作系統為谷歌的安卓系統，星載計算機為智能手機芯片組，拍攝地球影像的為500萬像素的手機攝像頭。

這3顆衛星因采用了消費級智能手機作為主要載荷，成本非常低廉，如PhoneSat 1.0成本僅為3500美元，而PhoneSat 2.0的成本僅為8000美元。它們在飛行期間，完成了把衛星的電池和溫度等自身數據傳回地面、用手機拍攝地球圖片并傳回地面、與“銥”衛星星座進行數據通信試驗等任務。

飛型衛星已亮相

如今，衛星的小型化趨勢愈發明顯。小衛星在微電子機械系統、微光機電系統、微遙感器、微轉發器、微推力器等技術的推動下，能力不斷提升。目前，皮型衛星技術已逐漸成熟，科學家們也開始將科研著力點轉向飛型衛星，努力實現技術性突破。

在2000年全球首顆皮型衛星發射入軌后，美國原定于2014年完成全球首次飛型衛星在軌部署，使人類邁入飛型衛星時代，可惜沒有成功。2014年4月18日，美國獵鷹9號火箭發射了“龍”貨運飛船，它將一顆名為凱克衛星1號的納星（KickSat-1，價值3萬美元）帶入了“國際空間站”。該衛星于兩周后被釋放到太空中，欲釋放104顆名為“精靈（Sprite）”的芯片衛星。

這些芯片衛星配備有無線電發射器，相互之間通過WiFi聯系。然而不幸再次發生，因凱克衛星1號納星出現故障，釋放最終未能成功。美國決定在改進后，于2015～2016年再次試驗，若能成功，將會是芯片衛星從概念向實用化邁出的重要一步，也將推動衛星設計從微小型化到超小型化的過渡。

與此同時，在2015年9月20日，中國發射了20顆微小衛星，其中有4顆0.1千克級的飛型衛星（星塵1號～4號），這是中國首批飛型衛星，也是目前全球最小的一批衛星。

? 對手機衛星進行艙外測試

你追我趕好熱鬧

隨著近年來小衛星發展的諸多突破，小衛星公司也成為航天產業的新生力量，帶來了一系列顛覆性的新理念和新模式，通過創新技術集成了低成本、高性能的航天系統。如今，小衛星公司在許多國家出現。其中，以美國的小衛星公司實力最為強勁，歐洲和日本也緊追其后。

對地觀測領域 隨著新型對地觀測系統的大量部署，催生了全新商業運營模式和服務模式，開啟了航天大數據時代。美國新型商業對地觀測衛星系統，已采用了全面創新的衛星業務應用模式;歐洲則研制了具有彩色視頻成像能力的小衛星，它具有任務可再配置能力，可應用在多種情報采集領域。

通信廣播領域 美國開啟了低軌商業通信小衛星星座新一輪更新換代。其戰術通信小衛星逐步面向基層作戰部隊提供作戰支持服務。

軍事航天領域 目前，國外正聚焦發展小衛星空間目標監視能力，小衛星的低成本使空間目標監視的應用成為發展熱點;小衛星空間攻防應用邁向高軌道，重點關注于高軌高價值目標在軌巡視及保護。美軍各軍兵種也相繼提出面向戰術應用的小衛星項目，發展作戰響應空間能力，與主戰場的大衛星系統形成能力互補。

未來前景十分廣闊

隨著微納技術、一體化多功能結構、集成化綜合電子等技術的發展和衛星設計思想創新，衛星小型化和一體化趨勢將愈發明顯，能力也將不斷提升。

據預測，到2020年，全球對小衛星（1～50千克）的年需求量將達到188顆。此外，在空間微機電系統（MEMS）、空間微光電系統（MOEMS）、微納技術（MNT）等技術發展的推動下，飛型衛星有望實現重大技術突破。衛星體系將隨之由大、小、微衛星延伸至納、皮、飛衛星。

未來，科學家還將通過智能計算機，建立衛星全面管理系統，實現小衛星的高度自主性。譬如，利用結構自適應神經控制器，隨任意變化的情況自主改變算法;或通過監視結構狀況和再配置神經控制器，實現衛星結構的高度自主控制等。

此外，像小衛星中的芯片衛星，能將航天器的全部功能集成于單個的集成電路上，使微納制造領域的微系統技術在航天應用中，從以往的部件級躍升至整星級，這也加速了航天器“超小型化”的大趨勢。因此，微納制造助力下的小衛星，正以迅猛發展的勢頭，孕育著未來航天發展的重大變革！

延伸閱讀小衛星顛覆行業模式

2015年，太空探索技術公司、一網公司等開始競爭從太空提供互聯網接入的服務。

太空探索技術公司將發射4000顆小型廉價衛星，向全球各地提供高速互聯網接入服務，包括最偏遠的地區。若此計劃成功，該公司將由一家太空公司轉型為高速互聯網接入服務商。而一網公司則準備建立由648顆小衛星組成的低軌道星座，在全球范圍內提供廉價寬帶服務。

目前，由于小衛星具有超輕量化、超小型化、超低成本等特點，已獲得多方的關注，它們必將在未來航天事業的發展中大展拳腳。